WO2014057623A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2014057623A1
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acceleration
acceleration sensor
electrode
movable electrode
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慎一 岸本
英喜 上田
巧 田浦
吉田　仁
岳志 森
伸行 茨
江田　和夫
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor.
  • an acceleration sensor that detects an externally applied acceleration. For example, displacement of the mass is detected from a change in capacitance between an electrode provided on the mass and the fixed electrode, and acceleration is detected based on the displacement of the mass.
  • a MEMS sensor that detects accelerations in three orthogonal directions using a comb-like sensor (see, for example, Patent Document 1).
  • an object of this invention is to obtain the acceleration sensor which can improve the detection sensitivity of the acceleration of three directions to orthogonally cross.
  • An acceleration sensor detects an acceleration in an X direction, which is one of plane directions, by swinging a first movable electrode around a pair of beam portions as an axis.
  • Y detection unit that detects an acceleration in the Y direction that is one of the planar directions and is orthogonal to the X direction by swinging the second movable electrode with the detection unit and the pair of beam units as axes
  • a Z detection unit for detecting the acceleration in the Z direction, which is the vertical direction, by arranging the third movable electrode held by the pair or more of the beam units in parallel in the vertical direction, in one chip It features.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the X detection unit uses one straight line connecting the pair of beam portions as a boundary line on one side of the surface of the first movable electrode. And a first fixed electrode disposed opposite to the other side, and an acceleration in the X direction is detected based on a change in capacitance between the first movable electrode and the first fixed electrode. It is also good.
  • the Y detection unit arranges a second fixed electrode so as to face one side and the other side of the surface of the second movable electrode with a straight line connecting the pair of beam units as a boundary line, and the second movable
  • the acceleration in the Y direction may be detected based on a change in capacitance between an electrode and the second fixed electrode.
  • the Z detection unit arranges a third fixed electrode so as to face the surface and the back surface of the third movable electrode, and the capacitance of the capacitance between the third movable electrode and the third fixed electrode
  • the acceleration in the Z direction may be detected based on a change.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the third fixed electrode disposed on the back surface of the third movable electrode is separated from the third movable electrode. It may be pulled out to one side of the 3rd movable electrode through a column-shaped fixed electrode.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the X detection unit, the Y detection unit, and the Z detection unit may be arranged linearly.
  • the Z detection unit may be disposed at the center, and the X detection unit and the Y detection unit may be disposed on both sides thereof. .
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the X detection portion, the Y detection portion, and the frame portion including the Z detection portion are the first fixed plate and the second In the frame portion between the Z detection unit and the X detection unit and the Y detection unit, the root region of the beam unit of the Z detection unit is the first fixing plate And may be separated.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein among the frame portions between the Z detection portion and the X detection portion and the Y detection portion, the Z detection portion is used as a reference.
  • a symmetrical region symmetrical to the root region may be separated from the first fixing plate.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein a frame portion including the X detection portion, the Y detection portion, and the Z detection portion is disposed in the one chip.
  • the penetrating portions having a symmetrical structure with respect to the third movable electrode may be formed in the frame portions on both sides in the first direction of the third movable electrode.
  • the columnar fixed electrode may be drawn out through each of the penetration portions formed on both sides in the first direction.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the frame portions on both sides in the second direction orthogonal to the first direction are also symmetrical based on the third movable electrode.
  • the penetration part of structure may be formed, and the penetration part of symmetrical structure may be formed on the basis of the 3rd movable electrode also in the frame parts of the 2nd direction both sides which intersect perpendicularly with the 1st direction.
  • An acceleration sensor according to an eleventh aspect of the present invention is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the columnar fixed electrode may be drawn out through each of the penetration portions formed on both sides in the second direction.
  • An acceleration sensor is the acceleration sensor according to the above aspect, wherein the X detection portion, the Y detection portion, and the Z detection portion are linearly arranged with the Z detection portion at the center.
  • the linear arrangement direction may be the first direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the internal configuration of a package incorporating an acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the acceleration sensor according to the first embodiment, where (a) is a cross-sectional view of the X detection unit, and (b) is a cross-sectional view of the Z detection unit.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the X detection unit in the state where acceleration in the X direction is not applied in the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the X detection unit in a state in which an acceleration of 1 G is applied in the X direction in the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the Z detection unit in a state in which an acceleration of 1 G is applied in the Z direction in the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the Z direction in the state shown in FIG.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of another acceleration sensor according to the second embodiment.
  • Example 12 is a diagram for explaining the Z detection unit of the acceleration sensor according to the third embodiment, wherein (a) is the second embodiment, (b) is the first embodiment, and (c) is the second embodiment. , (D) Example 3, (e) Example 4, (f) Example 5.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the internal configuration of a package 300 incorporating an acceleration sensor according to the first embodiment.
  • a state in which the lid of the package 300 mounted on the substrate 500 is opened is shown.
  • the package 300 is mounted with a sensor chip 100 for housing an acceleration sensor, an ASIC 200 for performing various calculations based on the output from the sensor chip 100, and the like.
  • the terminal 400 is pulled out of the package 300 and connected to the substrate 500.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • weights for detecting acceleration in the directions of three axes in XYZ are formed as individual weights for each axis for detecting only acceleration in one axis, and such weights (each sensor) in the directions of three axes in one chip It is located inside.
  • Acceleration in the planar direction (XY direction) is detected by seesawing the weight with a pair of torsion beams as the axis, and acceleration in the vertical direction (Z direction) is vertical direction with the weight held by a pair or more of beams It is made to detect by making parallel movement.
  • the upper and lower surfaces of the sensor unit 1 are sandwiched between the upper fixed plate 2a and the lower fixed plate 2b.
  • the sensor unit 1 is formed of a silicon SOI substrate or the like, and the upper fixed plate 2a and the lower fixed plate 2b are formed of an insulator such as glass.
  • the portion detecting acceleration in the X direction is “X detecting portion 10”
  • the portion detecting acceleration in the Y direction is “Y detecting portion 20”
  • portion detecting the acceleration in the Z direction It will be called “Z detection unit 30”.
  • the X direction is one of the planar directions.
  • the Y direction is one of planar directions and is a direction orthogonal to the X direction.
  • the Z direction is the vertical direction.
  • the X detection unit 10 detects an acceleration in the X direction by swinging the first movable electrode 11 with the pair of beam units 12a and 12b as axes. That is, the first fixed electrodes 13a and 13b are disposed to face one side and the other side of the surface of the first movable electrode 11 with the straight line connecting the pair of beam portions 12a and 12b as the boundary line. Thereby, the acceleration in the X direction can be detected based on the change in capacitance between the first movable electrode 11 and the first fixed electrodes 13a and 13b.
  • the Y detection unit 20 detects an acceleration in the Y direction by swinging the second movable electrode 21 with the pair of beam units 22a and 22b as axes. That is, the second fixed electrodes 23a and 23b are disposed to face one side and the other side of the surface of the second movable electrode 21 with the straight line connecting the pair of beam portions 22a and 22b as a boundary line. Thereby, the acceleration in the Y direction can be detected based on the change in capacitance between the second movable electrode 21 and the second fixed electrodes 23a and 23b.
  • the Z detection unit 30 detects an acceleration in the Z direction by translating the third movable electrode 31 held by the two pairs of beam units 32a, 32b, 32c, and 32d in the vertical direction. That is, the third fixed electrodes 33a and 33b are disposed to face the front and back surfaces of the third movable electrode 31. Thereby, the acceleration in the Z direction can be detected based on the change in capacitance between the third movable electrode 31 and the third fixed electrodes 33a and 33b.
  • the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 have the same shape rotated only by 90.degree., And these are arranged on both sides of the Z detection unit 30 of another shape and arranged in one chip. That is, as shown in FIG. 2, in the frame portion 3, three rectangular frames 10a, 20a, 30a are formed in line in a straight line.
  • the first movable electrode 11 is disposed in the rectangular frame 10a
  • the second movable electrode 21 is disposed in the rectangular frame 20a
  • the third movable electrode 31 is disposed in the rectangular frame 30a.
  • Each of the first to third movable electrodes 11, 21, and 31 has a substantially rectangular shape.
  • a gap of a predetermined size is open between the first to third movable electrodes 11, 21, 31 and the side wall portions of the rectangular frames 10a, 20a, 30a.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the acceleration sensor according to the first embodiment, wherein (a) shows a cross section of the X detection unit 10 and (b) shows a cross section of the Z detection unit 30. Since the cross section of the Y detection unit 20 is the same as that of the X detection unit 10, the illustration is omitted here.
  • the cross section of the X detection unit 10 is as shown in FIG. That is, the first movable electrode 11 is a frame portion by connecting the substantially central portions of two opposing sides of the surface of the first movable electrode 11 with the side wall portions of the rectangular frame 10a by the pair of beam portions 12a and 12b. It is supported swingably with respect to 3.
  • first fixed electrodes 13a and 13b are provided with a straight line connecting the beam portion 12a and the beam portion 12b as a boundary line.
  • the first fixed electrodes 13a and 13b are drawn out to the upper surface (one side) of the upper fixed plate 2a using the first through electrodes 14a and 14b.
  • the material of the first through electrodes 14a and 14b is a conductor such as silicon, tungsten or copper, and the material around the first through electrodes 14a and 14b is an insulator such as glass.
  • the second movable electrode 21 is a frame portion by connecting the substantially central portions of the two opposing sides of the surface of the second movable electrode 21 and the side wall portions of the rectangular frame 20a with a pair of beam portions 22a and 22b. It is supported swingably with respect to 3.
  • the second fixed electrodes 23a and 23b are provided on the side of the upper fixed plate 2a facing the second movable electrode 21 with the straight line connecting the beam portion 22a and the beam portion 22b as a boundary.
  • the second fixed electrodes 23a and 23b are drawn to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the second through electrodes 24a and 24b.
  • the material of the second through electrodes 24a and 24b is a conductor such as silicon, tungsten or copper, and the material around the second through electrodes 24a and 24b is an insulator such as glass.
  • the cross section of the Z detection unit 30 is as shown in FIG. That is, by connecting the four corners of the third movable electrode 31 and the side wall portion of the rectangular frame 30a by two pairs of L-shaped beam portions 32a, 32b, 32c, 32d, the third movable electrode 31 is vertically oriented. Parallel movement is possible.
  • the shapes of the beam portions 32a, 32b, 32c, 32d are not particularly limited, but the beam portions 32a, 32b, 32c, 32d can be made longer if they are L-shaped.
  • the third fixed electrode 33a is provided on the side facing the third movable electrode 31 of the upper fixed plate 2a
  • the third fixed electrode 33b is provided on the side facing the third movable electrode 31 of the lower fixed plate 2b. Is provided.
  • the third fixed electrode 33a is drawn to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the third through electrode 34a.
  • the third fixed electrode 33 b includes a projecting area 33 b 2 protruding from the rectangular area 33 b 1 (see FIG. 2).
  • the projecting region 33b2 is connected to a columnar fixed electrode 34c separated from the third movable electrode 31, and the columnar fixed electrode 34c is connected to a third through electrode 34b provided on the upper fixed plate 2a. It is a structure.
  • the third fixed electrode 33b can be drawn to the upper surface of the upper fixed plate 2a using the columnar fixed electrode 34c and the third through electrode 34b.
  • the material of the third through electrodes 34a and 34b is a conductor such as silicon, tungsten or copper, and the material around the third through electrodes 34a and 34b is an insulator such as glass.
  • ⁇ the dielectric constant
  • S the opposing area of the electrodes
  • d the opposing gap of the electrodes.
  • FIG. 4 shows a cross section of the X detection unit 10 in the state where acceleration in the X direction is not applied.
  • the electrostatic capacitances C1 and C2 between the first movable electrode 11 and the first fixed electrodes 13a and 13b become equal.
  • FIG. 6 shows a cross section of the X detection unit 10 in a state where an acceleration of 1 G is applied in the X direction.
  • the capacitance C1 between the first movable electrode 11 and the first fixed electrode 13a is parasitic capacitance + .DELTA.C
  • the first movable electrode 11 and the first fixed electrode 13b And the capacitance C2 between them becomes a parasitic capacitance -.DELTA.C.
  • the X detection unit 10 is configured to detect an acceleration in the X direction based on a change in capacitance.
  • the same principle applies to the Y detection unit 20 detecting the acceleration in the Y direction.
  • FIG. 8 shows a cross section of the Z detection unit 30 in a state where an acceleration of 1 G is applied in the Z direction.
  • the capacitance C5 between the third movable electrode 31 and the third fixed electrode 33a is parasitic capacitance + .DELTA.C
  • the third movable electrode 31 and the third fixed electrode 33b And the capacitance C6 between them becomes a parasitic capacitance -.DELTA.C.
  • the Z detection unit 30 detects the acceleration in the Z direction based on the change in capacitance.
  • the acceleration sensor since the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 are disposed in one chip, the detection sensitivity of acceleration in three orthogonal directions Can be improved. That is, since the weight of torsion and translation is adopted, it is possible to create a heavier weight with the same plane size as compared with a comb-like sensor as described in Patent Document 1, and high detection sensitivity It is possible to obtain
  • the weights for detecting the acceleration in the three axial directions of XYZ are formed as individual weights for each axis for detecting the acceleration of only one axis. Then, acceleration in the plane direction (XY direction) is detected by seesawing the weight with a pair of torsion beams as axes, and acceleration in the vertical direction (Z direction) is the weight held by the pair or more of beams It is made to detect by translating in the perpendicular direction. In 3-axis detection with multiple chips, the total size of all the chips is large, and it is necessary to mount a plurality of chips. On the other hand, if the sensors in the three axial directions are arranged in one chip, the peripheral area of each sensor can be made common, so that the chip size can be reduced and the number of mounted chips can be reduced. It is.
  • the X detection unit 10 faces the one side and the other side of the surface of the first movable electrode 11 with the straight line connecting the pair of beam portions 12a and 12b as a boundary line.
  • the fixed electrodes 13a and 13b of 1 are arranged.
  • the Y detection unit 20 arranges the second fixed electrodes 23a and 23b so as to face one side and the other side of the surface of the second movable electrode 21 with the straight line connecting the pair of beam parts 22a and 22b as a boundary line. doing.
  • the acceleration in the Y direction can be detected based on the change in capacitance between the second movable electrode 21 and the second fixed electrodes 23a and 23b.
  • the Z detection unit 30 arranges the third fixed electrodes 33a and 33b so as to face the front and back surfaces of the third movable electrode 31. Thereby, the acceleration in the Z direction can be detected based on the change in capacitance between the third movable electrode 31 and the third fixed electrodes 33a and 33b.
  • the differential capacitance can be detected by the two-electrode arrangement, it is possible to cancel the parasitic capacitance. That is, in the method in which the differential capacitance is not detected, a parasitic capacitance in the vicinity is added in addition to the capacitance between the detection electrodes. Therefore, noise influence of the parasitic capacitance portion occurs, and the stability of the output with respect to acceleration deteriorates. On the other hand, in the method of detecting the differential capacitance, since the parasitic capacitance is canceled, the influence of the parasitic capacitance can be reduced. Furthermore, it is possible to improve the linearity by calculating the difference between the increase amount and the decrease amount of the sensitivity capacity.
  • the third fixed electrode 33 b disposed on the back surface of the third movable electrode 31 passes through the columnar fixed electrode 34 c separated from the third movable electrode 31. Since the movable electrode 31 is drawn to the upper surface (one side) of the movable electrode 31, the electrical connection at the time of mounting can be facilitated. That is, in the case where the third fixed electrode 33 b is taken out from the lower surface, double-sided mounting is required. On the other hand, if the third fixed electrode 33b is pulled out to the upper surface, all the electrodes can be taken out from the upper surface of the upper fixed plate 2a, so that the electrical connection at the time of mounting can be facilitated. Of course, there is also an effect that the acceleration sensor can be miniaturized.
  • the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 are linearly arranged. According to such an arrangement, the acceleration sensor can be miniaturized.
  • the Z detection unit 30 is disposed at the center and the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 are disposed on both sides thereof, a structure with a stable stress state is created. Can. That is, while the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 have the same shape, the Z detection unit 30 has another shape, so the stress state becomes unstable depending on the arrangement. On the other hand, if the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 have the same shape rotated only by 90.degree. And arranged on both sides of the Z detection unit 30 of another shape, a structure with a stable stress state is created. can do.
  • the Z detection unit 30 does not have a symmetrical structure, when the temperature changes, an asymmetric stress may occur in the joint portion with the upper fixed plate 2a which is a different material.
  • the beam portions 32a, 32b, 32c, and 32d are deformed due to the asymmetric stress, there is a possibility that a characteristic change due to temperature may occur. Therefore, in the second embodiment, the following configuration is adopted in order to reduce the characteristic change due to the temperature.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • root regions 35a and 35b of the pair of beam units 32a and 32c of the Z detection unit 30 are Slightly lower than other areas. Therefore, even if the frame portion 3 is held between the upper fixed plate 2a and the lower fixed plate 2b, the root regions 35a and 35b are separated from the upper fixed plate 2a.
  • the size of the gap between the root regions 35a and 35b and the upper fixed plate 2a is not particularly limited, but the size is such that the root regions 35a and 35b and the upper fixed plate 2a are not coupled even if the temperature changes. It has become. According to such a configuration, since the root regions 35a and 35b and the upper fixed plate 2a are not coupled, the influence of stress is reduced, and it becomes possible to reduce the characteristic change due to temperature.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of another acceleration sensor according to the second embodiment.
  • a symmetrical region 35c symmetrical to the root regions 35a and 35b with reference to the Z detection unit 30.
  • 35d may be separated from the upper fixed plate 2a.
  • the shape, area and height of the symmetrical region 35c are similar to those of the root region 35a, and the shape, area and height of the symmetrical region 35d are similar to those of the root region 35b.
  • the root regions 35a and 35b are separated from the upper fixed plate 2a in a state where the frame portion 3 is sandwiched between the upper fixed plate 2a and the lower fixed plate 2b. .
  • the root regions 35a and 35b and the upper fixed plate 2a are not coupled, the influence of stress is reduced, and it is possible to reduce the characteristic change due to temperature.
  • the Z detection unit 30 is disposed at the center, and the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 are disposed on both sides thereof.
  • the configuration is such that dust and the like do not enter the rectangular frame 30a.
  • symmetrical regions 35c and 35d symmetrical to the root regions 35a and 35b with reference to the Z detection unit 30 are separated from the upper fixed plate 2a.
  • the frame portion 3 around the Z detection portion 30 is completely symmetrical, it is possible to suppress the unbalance of the stress generated at the joint portion with the upper fixed plate 2a, and further the characteristic change due to the temperature. It is possible to reduce.
  • the Z detection unit 30 is disposed at the center, and the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 are disposed on both sides thereof.
  • the configuration is such that dust and the like do not enter the rectangular frame 30a.
  • FIG. 12A is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • the four corners of the third movable electrode 31 are connected to the frame portion 3 by the two pairs of L-shaped beam portions 32a, 32b, 32c and 32d.
  • a penetrating portion 36a is formed only on the right side of the third movable electrode 31, and a columnar fixed electrode 34c is drawn out through the penetrating portion 36a. Therefore, as described above, there is a possibility that the characteristic change due to the temperature occurs.
  • FIG. 12B is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • the penetrating portions 36 a and 36 b having a symmetrical structure with respect to the third movable electrode 31 are formed in the frame portion 3 on both sides in the first direction of the third movable electrode 31.
  • the first direction is, for example, the arrangement direction (horizontal direction) when the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 are linearly arranged with the Z detection unit 30 at the center. That is, the X detection unit 10 and the Y detection unit 20 having the same shape and rotated only by 90 ° are disposed on the left and right sides of the Z detection unit 30. If the frame shape of such a Z detection unit 30 is also made symmetrical, the stress state becomes stable, and the temperature characteristic can be reduced.
  • FIG. 12C is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • columnar fixed electrodes 34c and 34d are drawn out through the through portions 36a and 36b formed on the left and right sides, respectively.
  • the structures of the columnar fixed electrodes 34c and 34d are basically the same.
  • the lower end of the columnar fixed electrode 34c is connected to the third fixed electrode 33b (see FIG. 8)
  • the stress state is further stabilized, and the temperature characteristics can be further reduced.
  • FIG. 12D is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the third embodiment.
  • through portions 36 c and 36 d having a symmetrical structure with respect to the third movable electrode 31 are also formed in the frame portions 3 on both sides in the second direction.
  • the second direction is, for example, a direction (vertical direction) orthogonal to the first direction.
  • the frame shape of the Z detection unit 30 is symmetrical not only horizontally but also vertically, the weight peripheral structure is symmetrical laterally and vertically, so that the stress state becomes more stable, and the temperature characteristic is further improved. It is possible to reduce.
  • FIG. 12E is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the fourth embodiment.
  • columnar fixed electrodes 34c and 34d are drawn out through the through portions 36a and 36b formed on the left and right sides, respectively.
  • penetration parts 36 c and 36 d having a symmetrical structure are also formed in the frame parts 3 on both the upper and lower sides. As described above, if the left and right and up and down symmetrical weight peripheral structures are formed into symmetrical pillar structures, the stress state becomes more stable, and the temperature characteristics can be further reduced.
  • FIG. 12F is a top view of the Z detection unit 30 of the acceleration sensor according to the fifth embodiment.
  • columnar fixed electrodes 34c and 34d are drawn out through the through portions 36a and 36b formed on the left and right sides, respectively.
  • columnar fixed electrodes 34e and 34f are drawn out through the through portions 36c and 36d formed on the upper and lower sides, respectively. It is not particularly limited whether or not the columnar fixed electrodes 34e and 34f are connected to the third fixed electrode 33b.
  • the left and right and vertically symmetrical weight peripheral structures are formed into symmetrical left and right pillar structures, the stress state becomes more stable, and the temperature characteristics can be further reduced.
  • the X detection unit 10, the Y detection unit 20, the Z detection unit 30, and the frame unit 3 are disposed in one chip, and the third movable electrode 31 is used as a reference.
  • the through portions 36a and 36b having a symmetrical structure are formed in the frame portion 3 on both sides (for example, both left and right sides) of the third movable electrode 31 in the first direction.
  • the X detection unit 10 detects an acceleration in the X direction by swinging the first movable electrode 11 with the pair of beam units 12a and 12b as axes.
  • the Y detection unit 20 detects an acceleration in the Y direction by swinging the second movable electrode 21 with the pair of beam units 22a and 22b as axes.
  • the Z detection unit 30 detects an acceleration in the Z direction by translating the third movable electrode 31 held by the two pairs of beam units 32a, 32b, 32c, and 32d in the vertical direction.
  • the frame unit 3 includes an X detection unit 10, a Y detection unit 20, and a Z detection unit 30.
  • the frame shape of the Z detection unit 30 also has a left-right symmetric structure, so that the stress state becomes stable, and the temperature characteristics can be reduced.
  • an acceleration sensor capable of improving detection accuracy of acceleration in three orthogonal directions.
  • the columnar fixed electrodes 34c and 34d may be drawn out through the penetrating portions 36a and 36b formed on both sides (for example, the left and right sides) in the first direction. As described above, if not only the penetrating portions 36a and 36b but also the columnar fixed electrodes 34c and 34d have a left-right symmetric structure, the stress state is further stabilized, and the temperature characteristics can be further reduced.
  • the penetrating portions 36c having a symmetrical structure based on the third movable electrode 31 are also provided to the frame portions 3 on both sides (for example, upper and lower sides) in the second direction orthogonal to the first direction. 36d may be formed.
  • the frame shape of the Z detection unit 30 is symmetrical not only horizontally but also vertically, the weight peripheral structure is symmetrical laterally and vertically, so that the stress state becomes more stable, and the temperature characteristic is further improved. It is possible to reduce.
  • the columnar fixed electrodes 34e and 34f may be drawn out through the penetration portions 36c and 36d formed on both sides (for example, upper and lower sides) in the second direction.
  • the stress state becomes more stable, and the temperature characteristics can be further reduced.
  • the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 are linearly arranged with the Z detection unit 30 at the center, and the linear arrangement direction is the first It may be a direction (for example, the left and right direction).
  • the penetrating portions 36a and 36b can be formed in the region between the X detection unit 10 and the Z detection unit 30 or in the region between the Z detection unit 30 and the Y detection unit 20. It becomes possible to achieve miniaturization.
  • FIG. 11 shows a state in which the root regions 35a and 35b and the symmetrical regions 35c and 35d are not connected to the upper fixed plate 2a, but the connection of these regions does not matter.
  • FIG. 12 (f) the columnar fixed electrodes 34e and 34f are drawn out through the through portions 36c and 36d respectively, but only one of the columnar fixed electrodes 34e and 34f is through only one of the through portions 36c and 36d. It may be pulled out.
  • the shapes, sizes, etc. of the penetrating portions 36a, 36b, 36c, 36d and the columnar fixed electrodes 34c, 34d, 34e, 34f can be changed as appropriate.
  • the acceleration sensor according to the present invention can be applied to an acceleration sensor that needs to improve detection sensitivity of acceleration in three orthogonal directions.

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Abstract

　加速度センサは、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを軸にして第１の可動電極１１を揺動させることによりＸ方向の加速度を検出するＸ検出部１０と、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを軸にして第２の可動電極２１を揺動させることによりＹ方向の加速度を検出するＹ検出部２０と、二対のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより保持された第３の可動電極３１を垂直方向に平行移動させることによりＺ方向の加速度を検出するＺ検出部３０とを１チップ内に配置したことを特徴とする。

Description

加速度センサ
　本発明は、加速度センサに関する。
　従来、外部から与えられる加速度を検出する加速度センサが知られている。例えば、質量体に設けられた電極と固定電極との間の静電容量の変化から質量体の変位を検出し、この質量体の変位に基づいて加速度を検出する。直交する３方向の加速度を櫛歯状のセンサを用いて検出するＭＥＭＳセンサも知られている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１０／０３２８１８号
　特許文献１に記載のＭＥＭＳセンサによれば、直交する３方向の加速度を検出することができるものの、より高い感度で加速度を検出することが望まれている。
　そこで、本発明は、直交する３方向の加速度の検出感度を向上させることのできる加速度センサを得ることを目的とする。
　本発明の第１の態様に係る加速度センサは、一対のビーム部を軸にして第１の可動電極を揺動させることにより、平面方向のうちの一方向であるＸ方向の加速度を検出するＸ検出部と、一対のビーム部を軸にして第２の可動電極を揺動させることにより、平面方向のうちの一方向であって前記Ｘ方向と直交するＹ方向の加速度を検出するＹ検出部と、一対以上のビーム部により保持された第３の可動電極を垂直方向に平行移動させることにより、垂直方向であるＺ方向の加速度を検出するＺ検出部とを１チップ内に配置したことを特徴とする。
　本発明の第２の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｘ検出部は、前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線として前記第１の可動電極の表面の一方側及び他方側に対向させて第１の固定電極を配置し、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｘ方向の加速度を検出してもよい。前記Ｙ検出部は、前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線として前記第２の可動電極の表面の一方側及び他方側に対向させて第２の固定電極を配置し、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｙ方向の加速度を検出してもよい。前記Ｚ検出部は、前記第３の可動電極の表面及び裏面に対向させて第３の固定電極を配置し、前記第３の可動電極と前記第３の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｚ方向の加速度を検出してもよい。
　本発明の第３の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記第３の可動電極の裏面に配置されている第３の固定電極が前記第３の可動電極とは分離された柱状の固定電極を通して前記第３の可動電極の一方側に引き出されていてもよい。
　本発明の第４の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部が直線状に配置されていてもよい。
　本発明の第５の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｚ検出部が中央に配置され、その両側に前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部が配置されていてもよい。
　本発明の第６の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部を内包するフレーム部が第１の固定板及び第２の固定板により挟持された状態において、前記Ｚ検出部と前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部との間のフレーム部のうち、前記Ｚ検出部のビーム部の付根領域が前記第１の固定板と分離されていてもよい。
　本発明の第７の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｚ検出部と前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部との間のフレーム部のうち、前記Ｚ検出部を基準として前記付根領域に対称となる対称領域が前記第１の固定板と分離されていてもよい。
　本発明の第８の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部を内包するフレーム部を前記１チップ内に配置し、前記第３の可動電極を基準にして対称構造の貫通部を前記第３の可動電極の第１方向両側の前記フレーム部に形成してもよい。
　本発明の第９の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記第１方向両側に形成された貫通部それぞれを通じて柱状の固定電極が引き出されていてもよい。
　本発明の第１０の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記第１方向と直交する第２方向両側の前記フレーム部にも、前記第３の可動電極を基準にして対称構造の貫通部を形成し前記第１方向と直交する第２方向両側の前記フレーム部にも、前記第３の可動電極を基準にして対称構造の貫通部を形成してもよい。
　本発明の第１１の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記第２方向両側に形成された貫通部それぞれを通じて柱状の固定電極が引き出されていてもよい。
　本発明の第１２の態様に係る加速度センサは、上記態様に係る加速度センサにおいて、前記Ｚ検出部を中央にして前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部が直線状に配置され、その直線状の配置方向が前記第１方向であってもよい。
図１は、第１実施形態にかかる加速度センサを内蔵したパッケージの内部構成例を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。 図３は、第１実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、（ａ）はＸ検出部の断面図、（ｂ）はＺ検出部の断面図である。 図４は、第１実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｘ方向の加速度が印加されていない状態におけるＸ検出部の断面図である。 図５は、図４に示される状態においてＸ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。 図６は、第１実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｘ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＸ検出部の断面図である。 図７は、図６に示される状態においてＸ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。 図８は、第１実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｚ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＺ検出部の断面図である。 図９は、図８に示される状態においてＺ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。 図１０は、第２実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。 図１１は、第２実施形態にかかる他の加速度センサの分解斜視図である。 図１２は、第３実施形態にかかる加速度センサのＺ検出部を説明するための図であって、（ａ）は第２実施形態、（ｂ）は実施例１、（ｃ）は実施例２、（ｄ）は実施例３、（ｅ）は実施例４、（ｆ）は実施例５。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下では、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
　以下、図１～図９を用いて、第１実施形態にかかる加速度センサの構成を説明する。
〔適用例〕
　図１は、第１実施形態にかかる加速度センサを内蔵したパッケージ３００の内部構成例を示す斜視図である。ここでは、基板５００に実装されたパッケージ３００の蓋を開けた状態を示している。この図に示すように、パッケージ３００には、加速度センサを収納するセンサチップ１００や、センサチップ１００からの出力に基づいて各種の演算を行うＡＳＩＣ２００等が搭載されている。パッケージ３００から端子４００が引き出され、基板５００に接続されている。
〔加速度センサの構成〕
　図２は、第１実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。この加速度センサでは、ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出する重りを１軸の加速度のみを検出する各軸個別の重りとして形成し、このような３軸方向の各重り（各センサ）を１チップ内に配置している。平面方向（ＸＹ方向）の加速度は、一対のねじりビームを軸にして重りをシーソー動作させることにより検出し、垂直方向（Ｚ方向）の加速度は、一対以上のビームにより保持された重りを垂直方向に平行移動させることにより検出するようにしている。
　具体的には、図２に示すように、センサ部１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサ部１は、シリコンＳＯＩ基板等により形成され、上部固定板２ａと下部固定板２ｂは、ガラス等の絶縁体により形成されている。
　以下、センサ部１のうち、Ｘ方向の加速度を検出する部分を「Ｘ検出部１０」、Ｙ方向の加速度を検出する部分を「Ｙ検出部２０」、Ｚ方向の加速度を検出する部分を「Ｚ検出部３０」と呼ぶことにする。Ｘ方向は、平面方向のうちの一方向である。Ｙ方向は、平面方向のうちの一方向であってＸ方向と直交する方向である。Ｚ方向は、垂直方向である。
　Ｘ検出部１０は、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを軸にして第１の可動電極１１を揺動させることによりＸ方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを結ぶ直線を境界線として第１の可動電極１１の表面の一方側及び他方側に対向させて第１の固定電極１３ａ，１３ｂを配置している。これにより、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＸ方向の加速度を検出することができる。
　Ｙ検出部２０は、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを軸にして第２の可動電極２１を揺動させることによりＹ方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを結ぶ直線を境界線として第２の可動電極２１の表面の一方側及び他方側に対向させて第２の固定電極２３ａ，２３ｂを配置している。これにより、第２の可動電極２１と第２の固定電極２３ａ，２３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＹ方向の加速度を検出することができる。
　Ｚ検出部３０は、二対のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより保持された第３の可動電極３１を垂直方向に平行移動させることによりＺ方向の加速度を検出する。すなわち、第３の可動電極３１の表面及び裏面に対向させて第３の固定電極３３ａ，３３ｂを配置している。これにより、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ａ，３３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＺ方向の加速度を検出することができる。
　Ｘ検出部１０とＹ検出部２０は互いに９０°回転させただけの同形状とし、これらを別形状のＺ検出部３０の両側に並べて１チップ内に配置している。すなわち、図２に示すように、フレーム部３には、３つの矩形枠１０ａ，２０ａ，３０ａが直線状に並んで形成されている。矩形枠１０ａには第１の可動電極１１が配置され、矩形枠２０ａには第２の可動電極２１が配置され、矩形枠３０ａには第３の可動電極３１が配置されている。第１～第３の可動電極１１，２１，３１はいずれも略矩形形状である。第１～第３の可動電極１１，２１，３１と矩形枠１０ａ，２０ａ，３０ａの側壁部との間には所定サイズの隙間が空いた状態となっている。
　図３は、第１実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、（ａ）はＸ検出部１０の断面を示し、（ｂ）はＺ検出部３０の断面を示している。Ｙ検出部２０の断面はＸ検出部１０と同様であるため、ここでは図示を省略している。
　まず、Ｘ検出部１０の断面は、図３（ａ）に示す通りである。すなわち、第１の可動電極１１の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠１０ａの側壁部とを一対のビーム部１２ａ，１２ｂで連結することにより、第１の可動電極１１がフレーム部３に対して揺動自在に支持されている。上部固定板２ａの第１の可動電極１１と対向する側には、ビーム部１２ａとビーム部１２ｂを結ぶ直線を境界線として第１の固定電極１３ａ，１３ｂが設けられている。第１の固定電極１３ａ，１３ｂは、第１の貫通電極１４ａ，１４ｂを用いて上部固定板２ａの上面（一方側）に引き出されている。第１の貫通電極１４ａ，１４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第１の貫通電極１４ａ，１４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。
　Ｙ検出部２０についても同様である。すなわち、第２の可動電極２１の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠２０ａの側壁部とを一対のビーム部２２ａ，２２ｂで連結することにより、第２の可動電極２１がフレーム部３に対して揺動自在に支持されている。上部固定板２ａの第２の可動電極２１と対向する側には、ビーム部２２ａとビーム部２２ｂを結ぶ直線を境界線として第２の固定電極２３ａ，２３ｂが設けられている。第２の固定電極２３ａ，２３ｂは、第２の貫通電極２４ａ，２４ｂを用いて上部固定板２ａの上面に引き出されている。第２の貫通電極２４ａ，２４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第２の貫通電極２４ａ，２４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。
　更に、Ｚ検出部３０の断面は、図３（ｂ）に示す通りである。すなわち、第３の可動電極３１の四隅と矩形枠３０ａの側壁部とを二対のＬ字形のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄで連結することにより、第３の可動電極３１が垂直方向に平行移動可能になっている。ビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの形状は特に限定されるものではないが、Ｌ字形にすれば、ビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを長くすることができる。上部固定板２ａの第３の可動電極３１と対向する側には第３の固定電極３３ａが設けられ、下部固定板２ｂの第３の可動電極３１と対向する側には第３の固定電極３３ｂが設けられている。第３の固定電極３３ａは、第３の貫通電極３４ａを用いて上部固定板２ａの上面に引き出されている。第３の固定電極３３ｂは、矩形領域３３ｂ１から突き出した突出領域３３ｂ２を備えている（図２参照）。突出領域３３ｂ２は、第３の可動電極３１とは分離された柱状の固定電極３４ｃに接続され、柱状の固定電極３４ｃは、上部固定板２ａに設けられた第３の貫通電極３４ｂに接続される構成となっている。これにより、柱状の固定電極３４ｃ及び第３の貫通電極３４ｂを用いて第３の固定電極３３ｂを上部固定板２ａの上面に引き出すことができる。第３の貫通電極３４ａ，３４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第３の貫通電極３４ａ，３４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。
〔Ｘ方向の加速度検出〕
　静電容量Ｃは、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、電極の対向ギャップをｄとした場合、Ｃ＝εＳ／ｄにより算出することができる。加速度により可動電極が回転すると、対向ギャップｄが変化するため、静電容量Ｃが変化する。そこで、ＡＳＩＣ２００により差分容量（Ｃ１－Ｃ２、Ｃ５－Ｃ６）をＣＶ変換する。
　図４は、Ｘ方向の加速度が印加されていない状態におけるＸ検出部１０の断面を示している。この場合、図５に示すように、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は等しくなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値（Ｃ１－Ｃ２＝０）を算出し、Ｘ出力として出力する。
　図６は、Ｘ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＸ検出部１０の断面を示している。この場合、図７に示すように、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａとの間の静電容量Ｃ１は寄生容量＋ΔＣとなり、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ｂとの間の静電容量Ｃ２は寄生容量－ΔＣとなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値（Ｃ１－Ｃ２＝２ΔＣ）を算出し、Ｘ出力として出力する。
　このように、Ｘ検出部１０は、静電容量の変化に基づいてＸ方向の加速度を検出するようになっている。Ｙ検出部２０がＹ方向の加速度を検出する原理も同様である。
〔Ｚ方向の加速度検出〕
　図８は、Ｚ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＺ検出部３０の断面を示している。この場合、図９に示すように、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ａとの間の静電容量Ｃ５は寄生容量＋ΔＣとなり、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ｂとの間の静電容量Ｃ６は寄生容量－ΔＣとなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ５と静電容量Ｃ６の差分値（Ｃ５－Ｃ６＝２ΔＣ）を算出し、Ｚ出力として出力する。このように、Ｚ検出部３０は、静電容量の変化に基づいてＺ方向の加速度を検出するようになっている。
　以上説明したように、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｘ検出部１０、Ｙ検出部２０、及びＺ検出部３０を１チップ内に配置しているため、直交する３方向の加速度の検出感度を向上させることができる。すなわち、トーション及び平行移動の重りを採用しているため、特許文献１に記載されるような櫛歯状のセンサに比べて、同じ平面サイズでより重い重りを作成することができ、高い検出感度を得ることが可能となる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出する各重りを１軸の加速度のみを検出する各軸個別の重りとして形成している。そして、平面方向（ＸＹ方向）の加速度は、一対のねじりビームを軸にして重りをシーソー動作させることにより検出し、垂直方向（Ｚ方向）の加速度は、一対以上のビームにより保持された重りを垂直方向に平行移動させることにより検出するようにしている。複数チップによる３軸検出では、全チップの合計サイズが大きくなり、また、複数個のチップを実装する必要がある。それに対して、３軸方向の各センサを１チップ内に配置すれば、各センサの周辺領域を共通化することができるため、チップサイズの小型化及び実装するチップ数の低減を図ることが可能である。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｘ検出部１０は、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを結ぶ直線を境界線として第１の可動電極１１の表面の一方側及び他方側に対向させて第１の固定電極１３ａ，１３ｂを配置している。これにより、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＸ方向の加速度を検出することができる。また、Ｙ検出部２０は、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを結ぶ直線を境界線として第２の可動電極２１の表面の一方側及び他方側に対向させて第２の固定電極２３ａ，２３ｂを配置している。これにより、第２の可動電極２１と第２の固定電極２３ａ，２３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＹ方向の加速度を検出することができる。更に、Ｚ検出部３０は、第３の可動電極３１の表面及び裏面に対向させて第３の固定電極３３ａ，３３ｂを配置している。これにより、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ａ，３３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＺ方向の加速度を検出することができる。
　このような構成によれば、２電極配置により差分容量を検出することができるため、寄生容量をキャンセルすることが可能である。すなわち、差分容量を検出しない方法では、検出電極間の容量以外に周囲の寄生容量が付加される。そのため、寄生容量部のノイズ影響が発生し、加速度に対する出力の安定性が悪くなる。それに対して、差分容量を検出する方法では、寄生容量がキャンセルされるため、寄生容量の影響を低減することができる。さらに、感度容量の増加量と減少量の差分計算により、直線性の向上を図ることが可能である。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、第３の可動電極３１の裏面に配置されている第３の固定電極３３ｂが第３の可動電極３１とは分離された柱状の固定電極３４ｃを通して第３の可動電極３１の上面（一方側）に引き出されているため、実装時の電気接続を容易にすることが可能となる。すなわち、第３の固定電極３３ｂを下面から取り出す場合は、両面実装が必要となる。それに対して、第３の固定電極３３ｂを上面に引き出せば、全電極を上部固定板２ａの上面から取り出すことができるため、実装時の電気接続を容易にすることが可能となる。もちろん、加速度センサの小型化を図ることができるという効果もある。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｘ検出部１０、Ｙ検出部２０、及びＺ検出部３０が直線状に配置されている。このような配置によれば、加速度センサの小型化を図ることができる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｚ検出部３０が中央に配置され、その両側にＸ検出部１０及びＹ検出部２０が配置されているため、応力状態が安定した構造を作成することができる。すなわち、Ｘ検出部１０とＹ検出部２０は同形状であるのに対して、Ｚ検出部３０は別形状であるため、配置によっては応力状態が不安定になる。それに対して、Ｘ検出部１０とＹ検出部２０は互いに９０°回転させただけの同形状とし、これらを別形状のＺ検出部３０の両側に配置すれば、応力状態が安定した構造を作成することができる。
（第２実施形態）
　ところで、Ｚ検出部３０に関しては対称構造になっていないため、温度が変化すると、異種材料である上部固定板２ａとの結合部に非対称な応力が発生する場合がある。このような場合、非対称な応力によりビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが変形するため、温度による特性変化が発生する可能性がある。そこで、第２実施形態では、温度による特性変化を低減するため、以下の構成を採用している。
　図１０は、第２実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。この図に示すように、Ｚ検出部３０とＸ検出部１０及びＹ検出部２０との間のフレーム部３のうち、Ｚ検出部３０の一対のビーム部３２ａ，３２ｃの付根領域３５ａ，３５ｂが他の領域と比較して僅かに低くなっている。そのため、フレーム部３を上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂにより挟持しても、付根領域３５ａ，３５ｂが上部固定板２ａと分離されることになる。付根領域３５ａ，３５ｂと上部固定板２ａとの間の隙間のサイズは特に限定されるものではないが、温度が変化しても付根領域３５ａ，３５ｂと上部固定板２ａとが結合しない程度のサイズになっている。このような構成によれば、付根領域３５ａ，３５ｂと上部固定板２ａとが結合しないため、応力の影響が低減され、温度による特性変化を低減することが可能となる。
　図１１は、第２実施形態にかかる他の加速度センサの分解斜視図である。この図に示すように、Ｚ検出部３０とＸ検出部１０及びＹ検出部２０との間のフレーム部３のうち、Ｚ検出部３０を基準として付根領域３５ａ，３５ｂに対称となる対称領域３５ｃ，３５ｄが上部固定板２ａと分離されていてもよい。対称領域３５ｃの形状、面積、高さは付根領域３５ａと同程度であり、対称領域３５ｄの形状、面積、高さは付根領域３５ｂと同程度である。これにより、Ｚ検出部３０の周囲のフレーム部３が完全に対称構造になるため、上部固定板２ａとの結合部に発生する応力のアンバランスを抑制することができ、更に温度による特性変化を低減することが可能となる。
　以上説明したように、本実施形態にかかる加速度センサでは、フレーム部３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに挟持された状態において、付根領域３５ａ，３５ｂが上部固定板２ａと分離されている。これにより、付根領域３５ａ，３５ｂと上部固定板２ａとが結合しないため、応力の影響が低減され、温度による特性変化を低減することが可能となる。このような付根領域３５ａ，３５ｂを形成しても、Ｚ検出部３０が中央に配置され、その両側にＸ検出部１０及びＹ検出部２０が配置されているため、矩形枠３０ａ内の気密性を確保することができ、矩形枠３０ａにゴミ等が混入しない構成となっている。
　また、本実施形態における加速度センサでは、Ｚ検出部３０を基準として付根領域３５ａ，３５ｂに対称となる対称領域３５ｃ，３５ｄが上部固定板２ａと分離されている。これにより、Ｚ検出部３０の周囲のフレーム部３が完全に対称構造になるため、上部固定板２ａとの結合部に発生する応力のアンバランスを抑制することができ、更に温度による特性変化を低減することが可能となる。このような対称領域３５ｃ，３５ｄを形成しても、Ｚ検出部３０が中央に配置され、その両側にＸ検出部１０及びＹ検出部２０が配置されているため、矩形枠３０ａ内の気密性を確保することができ、矩形枠３０ａにゴミ等が混入しない構成となっている。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記各実施形態では、第３の可動電極３１の四隅と矩形枠３０ａの側壁部とを二対のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄで連結する構成を例示しているが、第３の可動電極３１の二隅と矩形枠３０ａの側壁部とを一対のビーム部３２ａ，３２ｃで連結するようにしてもよい。また、上部固定板２ａ、下部固定板２ｂ、センサ部１、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜変更することが可能である。
（第３実施形態）
　しかしながら、第２実施形態でも、Ｚ検出部３０の周囲の更に別の領域に着目すると、対称構造になっていない箇所がある。すなわち、第２実施形態では、図１１に示すように、柱状の固定電極３４ｃを用いて第３の固定電極３３ｂを上部固定板２ａの上面に引き出す構造を採用しているが、このような柱状の固定電極３４ｃは、図面上、Ｚ検出部３０の右側にしか形成されていない。そのため、温度が変化すると、異種材料である上部固定板２ａとの結合部に非対称な応力が発生する場合がある。このような場合、非対称な応力によりビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが変形するため、温度による特性変化が発生する可能性がある。そこで、本実施形態では、Ｚ検出部３０の周囲構造を変更することで、更に温度による特性変化を低減するようにしている。なお、以下の説明では、第２実施形態と同様の構成については詳しい説明を省略する。
　まず、図１２（ａ）は、第２実施形態にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。既に説明した通り、二対のＬ字形のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより第３の可動電極３１の四隅がフレーム部３に連結されている。第３の可動電極３１の右側にだけ貫通部３６ａが形成され、この貫通部３６ａを通じて柱状の固定電極３４ｃが引き出されている。そのため、上記したように、温度による特性変化が発生する可能性がある。
　図１２（ｂ）は、実施例１にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。この図に示すように、実施例１では、第３の可動電極３１を基準にして対称構造の貫通部３６ａ，３６ｂを第３の可動電極３１の第１方向両側のフレーム部３に形成している。第１方向とは、例えば、Ｚ検出部３０を中央にしてＸ検出部１０、Ｙ検出部２０、及びＺ検出部３０が直線状に配置された場合の配置方向（左右方向）である。すなわち、Ｚ検出部３０の左右両側には、９０°回転させただけの同形状であるＸ検出部１０とＹ検出部２０が配置されている。このようなＺ検出部３０のフレーム形状も左右対称構造にすれば、応力状態が安定した構造となり、温度特性を低減することが可能となる。
　図１２（ｃ）は、実施例２にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。この図に示すように、実施例２では、左右両側に形成された貫通部３６ａ，３６ｂそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄが引き出されている。柱状の固定電極３４ｃと３４ｄの構造は基本的に同じである。ただし、柱状の固定電極３４ｃの下端が第３の固定電極３３ｂに接続されているのに対して（図８参照）、柱状の固定電極３４ｄが第３の固定電極３３ｂに接続されているかどうかは特に限定されるものではない。すなわち、異種材料である上部固定板２ａとの結合部が対称であればよい。このように貫通部３６ａ，３６ｂだけでなく柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄも左右対称構造にすれば、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　図１２（ｄ）は、実施例３にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。この図に示すように、実施例３では、第２方向両側のフレーム部３にも、第３の可動電極３１を基準にして対称構造の貫通部３６ｃ，３６ｄを形成している。第２方向とは、例えば、第１方向と直交する方向（上下方向）である。このようにＺ検出部３０のフレーム形状を左右だけでなく上下にも対称構造にすれば、左右及び上下に対称な重り周囲構造となるため、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　図１２（ｅ）は、実施例４にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。この図に示すように、実施例４では、左右両側に形成された貫通部３６ａ，３６ｂそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄが引き出されている。また、上下両側のフレーム部３にも対称構造の貫通部３６ｃ，３６ｄが形成されている。このように左右及び上下に対称な重り周囲構造において左右対称な柱構造にすれば、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　図１２（ｆ）は、実施例５にかかる加速度センサのＺ検出部３０の上面図である。この図に示すように、実施例５では、左右両側に形成された貫通部３６ａ，３６ｂそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄが引き出されている。また、上下両側に形成された貫通部３６ｃ，３６ｄそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｅ，３４ｆが引き出されている。この柱状の固定電極３４ｅ，３４ｆについても、第３の固定電極３３ｂに接続されているかどうかは特に限定されるものではない。このように左右及び上下に対称な重り周囲構造において左右及び上下に対称な柱構造にすれば、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　以上説明したように、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｘ検出部１０とＹ検出部２０とＺ検出部３０とフレーム部３とを１チップ内に配置し、第３の可動電極３１を基準にして対称構造の貫通部３６ａ，３６ｂを第３の可動電極３１の第１方向両側（例えば左右両側）のフレーム部３に形成している。Ｘ検出部１０は、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを軸にして第１の可動電極１１を揺動させることによりＸ方向の加速度を検出する。Ｙ検出部２０は、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを軸にして第２の可動電極２１を揺動させることによりＹ方向の加速度を検出する。Ｚ検出部３０は、二対のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより保持された第３の可動電極３１を垂直方向に平行移動させることによりＺ方向の加速度を検出する。フレーム部３は、Ｘ検出部１０、Ｙ検出部２０、及びＺ検出部３０を内包する。これにより、Ｚ検出部３０のフレーム形状も左右対称構造になるため、応力状態が安定した構造となり、温度特性を低減することが可能となる。その結果、直交する３方向の加速度の検出精度を向上させることのできる加速度センサを提供することができる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、第１方向両側（例えば左右両側）に形成された貫通部３６ａ，３６ｂそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄが引き出されていてもよい。このように貫通部３６ａ，３６ｂだけでなく柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄも左右対称構造にすれば、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、第１方向と直交する第２方向両側（例えば上下両側）のフレーム部３にも、第３の可動電極３１を基準にして対称構造の貫通部３６ｃ，３６ｄを形成してもよい。このようにＺ検出部３０のフレーム形状を左右だけでなく上下にも対称構造にすれば、左右及び上下に対称な重り周囲構造となるため、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、第２方向両側（例えば上下両側）に形成された貫通部３６ｃ，３６ｄそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｅ，３４ｆが引き出されていてもよい。このように左右及び上下に対称な重り周囲構造において、左右及び上下に対称な柱構造にすれば、更に応力状態が安定した構造となり、更に温度特性を低減することが可能となる。
　また、本実施形態にかかる加速度センサでは、Ｚ検出部３０を中央にしてＸ検出部１０、Ｙ検出部２０、及びＺ検出部３０が直線状に配置され、その直線状の配置方向が第１方向（例えば左右方向）であってもよい。これにより、Ｘ検出部１０とＺ検出部３０との間の領域やＺ検出部３０とＹ検出部２０との間の領域に貫通部３６ａ，３６ｂなどを形成することができるため、加速度センサの小型化を図ることが可能となる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図１１では、付根領域３５ａ，３５ｂや対称領域３５ｃ，３５ｄが上部固定板２ａと結合していない状態を示しているが、これら領域の結合の有無は問わない。また、図１２（ｆ）では、貫通部３６ｃ，３６ｄそれぞれを通じて柱状の固定電極３４ｅ，３４ｆが引き出されているが、貫通部３６ｃ，３６ｄの一方だけを通じて柱状の固定電極３４ｅ，３４ｆの一方だけが引き出されていてもよい。もちろん、貫通部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄや柱状の固定電極３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆの形状や大きさ等は適宜変更することが可能である。
　特願２０１２－２２６５０９号（出願日：２０１２年１０月１２日）及び特願２０１３－１１９６８８号（出願日：２０１３年６月６日）の全内容は、ここに援用される。
　本発明に係る加速度センサは、直交する３方向の加速度の検出感度を向上させることが必要な加速度センサに適用することが可能である。
　２ａ　上部固定板（第１の固定板）
　２ｂ　下部固定板（第２の固定板）
　３　フレーム部
　１０　Ｘ検出部
　１１　第１の可動電極
　１２ａ，１２ｂ　一対のビーム部
　１３ａ，１３ｂ　第１の固定電極
　２０　Ｙ検出部
　２１　第２の可動電極
　２２ａ，２２ｂ　一対のビーム部
　２３ａ，２３ｂ　第２の固定電極
　３０　Ｚ検出部
　３１　第３の可動電極
　３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ　一対以上のビーム部
　３３ａ，３３ｂ　第３の固定電極
　３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ　柱状の固定電極
　３５ａ，３５ｂ　付根領域
　３５ｃ，３５ｄ　対称領域
　３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ　貫通部

Claims (12)

  1. 　一対のビーム部を軸にして第１の可動電極を揺動させることにより、平面方向のうちの一方向であるＸ方向の加速度を検出するＸ検出部と、
    　一対のビーム部を軸にして第２の可動電極を揺動させることにより、平面方向のうちの一方向であって前記Ｘ方向と直交するＹ方向の加速度を検出するＹ検出部と、
    　一対以上のビーム部により保持された第３の可動電極を垂直方向に平行移動させることにより、垂直方向であるＺ方向の加速度を検出するＺ検出部と
    　を１チップ内に配置したことを特徴とする加速度センサ。
  2. 　前記Ｘ検出部は、前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線として前記第１の可動電極の表面の一方側及び他方側に対向させて第１の固定電極を配置し、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｘ方向の加速度を検出し、
    　前記Ｙ検出部は、前記一対のビーム部を結ぶ直線を境界線として前記第２の可動電極の表面の一方側及び他方側に対向させて第２の固定電極を配置し、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｙ方向の加速度を検出し、
    　前記Ｚ検出部は、前記第３の可動電極の表面及び裏面に対向させて第３の固定電極を配置し、前記第３の可動電極と前記第３の固定電極との間の静電容量の変化に基づいて前記Ｚ方向の加速度を検出することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 　前記第３の可動電極の裏面に配置されている第３の固定電極が前記第３の可動電極とは分離された柱状の固定電極を通して前記第３の可動電極の一方側に引き出されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
  4. 　前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部が直線状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の加速度センサ。
  5. 　前記Ｚ検出部が中央に配置され、その両側に前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
  6. 　前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部を内包するフレーム部が第１の固定板及び第２の固定板により挟持された状態において、前記Ｚ検出部と前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部との間のフレーム部のうち、前記Ｚ検出部のビーム部の付根領域が前記第１の固定板と分離されていることを特徴とする請求項５に記載の加速度センサ。
  7. 　前記Ｚ検出部と前記Ｘ検出部及び前記Ｙ検出部との間のフレーム部のうち、前記Ｚ検出部を基準として前記付根領域に対称となる対称領域が前記第１の固定板と分離されていることを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
  8. 　前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部を内包するフレーム部を前記１チップ内に配置し、前記第３の可動電極を基準にして対称構造の貫通部を前記第３の可動電極の第１方向両側の前記フレーム部に形成したことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  9. 　前記第１方向両側に形成された貫通部それぞれを通じて柱状の固定電極が引き出されていることを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
  10. 　前記第１方向と直交する第２方向両側の前記フレーム部にも、前記第３の可動電極を基準にして対称構造の貫通部を形成したことを特徴とする請求項８又は９に記載の加速度センサ。
  11. 　前記第２方向両側に形成された貫通部それぞれを通じて柱状の固定電極が引き出されていることを特徴とする請求項１０に記載の加速度センサ。
  12. 　前記Ｚ検出部を中央にして前記Ｘ検出部、前記Ｙ検出部、及び前記Ｚ検出部が直線状に配置され、その直線状の配置方向が前記第１方向であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の加速度センサ。
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