JP2002040044A - 力学量センサ - Google Patents

力学量センサ

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JP2002040044A JP2000220913A JP2000220913A JP2002040044A JP 2002040044 A JP2002040044 A JP 2002040044A JP 2000220913 A JP2000220913 A JP 2000220913A JP 2000220913 A JP2000220913 A JP 2000220913A JP 2002040044 A JP2002040044 A JP 2002040044A
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movable electrode
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Yoshiyuki Kato
義之 加藤
Mineichi Sakai
峰一 酒井
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 力学量の印加時に可動電極と固定電極との間
隔変化に基づいて印加力学量を検出する力学量センサに
おいて、大きな衝撃が印加されても、センサ出力に影響
を与えない程度に可動部の自由振動時間を短くする。 【解決手段】 櫛歯状の可動電極２４を有する可動部２
０は、バネ部としての梁部２２を介して基部１１に連結
支持され、Ｙ軸方向へ変位可能となっている。可動電極
２４と検出間隔４０を介して、櫛歯状の固定電極３１、
３２が対向配置されている。ここで、可動部２０のＹ軸
方向への振動のＱ値が、可動部２０のＹ軸方向への振動
における共振周波数の１／５００倍よりも小さくなって
おり、センサ出力に影響を与えない程度に可動部２０の
自由振動の減衰を早めている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力学量の印加に応
じて所定方向へ変位する可動部と、この可動部に一体に
形成された可動電極と、この可動電極に対向して配置さ
れた固定電極とを備え、力学量の印加に応じて可動電極
が変位したとき、可動電極と固定電極との間隔の変化に
基づいて印加力学量を検出する力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、この種の力学量センサとして
は、例えば特開平１１−３２６３６５号公報に記載の容
量式半導体力学量センサが提案されている。このもの
は、基部に対してバネ部を介して可動部を所定方向へ変
位可能な状態で連結しており、該所定方向への力学量が
印加されたときに、可動部と一体に形成された可動電極
と、この可動電極に対向配置された固定電極との間隔の
変化を、静電容量の変化として検出することにより、印
加力学量を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の力学量センサにおいては、可動部が基部にバネ部を
介して連結されているため、外部から高い衝撃を受けた
場合、高衝撃印加後において可動部が自由振動する時間
が長くなる。このように、可動部の自由振動時間が長く
なると、可動電極と固定電極との間隔が変化する状態が
長く続くため、実際に高衝撃の印加が終了した後も、あ
たかも衝撃が印加されているかの如く信号が出力されて
しまう。
【０００４】このような問題に対しては、単純にはバネ
部のバネ定数を大きく、つまりバネ部を硬くして上記自
由振動の減衰を早めてやればよいと考えられるが、その
分、可動部が変位しにくくなってセンサ出力の感度が落
ちるため、好ましくない。
【０００５】そこで、本発明は上記問題に鑑み、大きな
衝撃が印加されても、センサ出力に影響を与えない程度
に可動部の自由振動時間を短くすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、基部（１１）と、この基部に
連結され力学量の印加に応じて所定方向（Ｙ）へ変位す
るバネ機能を有するバネ部（２２）と、このバネ部に連
結されバネ部とともに該所定方向へ変位可能な可動部
（２０）と、この可動部に一体に形成された可動電極
（２４）と、基部に支持され可動電極と対向して配置さ
れた固定電極（３１、３２）とを備え、力学量の印加に
応じて可動電極が変位したとき、可動電極と固定電極と
の間隔の変化に基づいて印加力学量を検出する力学量セ
ンサにおいて、可動部の該所定方向への振動のＱ値が、
可動部の該所定方向への振動における共振周波数の１／
５００倍よりも小さくなっていることを特徴としてい
る。
【０００７】本発明は、可動部の所定方向への振動のＱ
値と可動部の所定方向への振動における共振周波数との
関係に着目し検討した結果得られたものであり、このＱ
値が当該共振周波数の１／５００倍よりも小さくなって
いれば、実用レベルにおいて大きな衝撃が印加されて
も、センサ出力に影響を与えない程度に可動部の自由振
動の時間を短くすることができる。
【０００８】例えば、高いＧ（衝撃）が印加されても、
５ｍｓ以内に当該高Ｇの１％以内に可動部の自由振動が
減衰することが要求されているが、上記Ｑ値が上記共振
周波数の２倍よりも小さくなっていれば、この要求を満
足することができる。なお、Ｑ値とは、共鳴の鋭さを表
す量であり、減衰振動の対数減衰度をδとすれば、Ｑ＝
π／δである（長倉三郎等編集、岩波 理化学辞典、第
５版、１９９８年２月２０日発行、岩波書店、日本、３
２４頁より）。
【０００９】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
力学量センサにおけるバネ部、可動及び固定電極の具体
的形状を提供するものである。即ち、請求項２の発明に
よれば、バネ部は所定方向（Ｙ）と直交する方向に長辺
を持つ長方形枠状をなす梁部（２２）であり、可動電極
（２４）及び固定電極（３１、３２）は共に該所定方向
と直交する方向に延びる棒状のものであり、可動電極と
固定電極の互いの側面が対向して配置されていることを
特徴とする力学量センサを提供することができる。
【００１０】また、請求項３の発明は、請求項２記載の
力学量センサにおいて、所定方向（Ｙ）と直交する方向
において、梁部（２２）の幅（Ｗ１）と可動電極（２
４）の幅（Ｗ２）とが略同程度であることを特徴とした
ものである。
【００１１】従来では、可動電極の幅は梁部の幅よりも
大きいものであったが、これら両幅を同程度とすること
で、可動電極の質量を小さくして結果的に可動部の質量
を小さくすることができる。そして、上記Ｑ値は可動部
の質量が小さくなるにつれて小さくすることができるた
め、上記Ｑ値を上記共振周波数の２倍よりも小さくする
ことを好適に実現することができる。
【００１２】さらに、請求項４の発明は、請求項３記載
の力学量センサにおいて可動電極（２４）が複数個設け
られている場合に、この可動電極の個数をｎ、個々の可
動電極の長さをＬ２、梁部（２２）の長さをＬ１とした
とき、Ｌ２が（ｎ／３）1/3・Ｌ１よりも小さいことを
特徴とするものである。
【００１３】もし、可動電極が梁部よりも柔らかいもの
であると、力学量の印加時に梁部によって可動部が動く
前に可動電極が変位する可能性がある。すると、可動電
極と固定電極との間隔が変化してしまうため、センサ出
力の誤差となる。その点、請求項４のように可動電極の
長さＬ２を規定してやれば、可動電極を梁部よりも硬い
ものとできるため、センサ出力精度を適切に確保するこ
とができ、好ましい。
【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、本発明の力学量セン
サを、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制
御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ
等に適用可能な差動容量式の半導体加速度センサについ
て適用したものとして説明する。図１に半導体加速度セ
ンサ（以下、単にセンサという）１００の概略平面構成
を示し、図２に図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的な断面
構造を示す。
【００１６】センサ１００は、半導体基板に周知の半導
体製造技術を用いたマイクロマシン加工を施すことによ
り形成される。センサ１００を構成する半導体基板は、
図２に示す様に、第１の半導体層としての第１シリコン
基板（本発明でいう基部）１１と第２の半導体層として
の第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化
膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００１７】第２シリコン基板１２には、溝１４を形成
することにより、可動部２０、及び、この可動部２０と
溝１４を介して区画された固定部３０よりなる梁構造体
が形成されている。また、酸化膜１３及び第１シリコン
基板１１のうち上記梁構造体２０、３０の形成領域に対
応した部位は、犠牲層エッチング等により矩形状に除去
されて開口部１３ａを形成している。そして、固定部３
０は、開口部１３ａの開口縁部にて、酸化膜１３を介し
て第１シリコン基板１１に支持されている。
【００１８】開口部１３ａ上を横断するように配置され
た可動部２０は、矩形状の錘部２１の両端を、梁部２２
を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結した
構成となっている。これらアンカー部２３ａ及び２３ｂ
は、酸化膜１３における開口部１３ａの開口縁部に固定
され、第１シリコン基板１１上に支持されている。これ
により、錘部２１及び梁部２２は開口部１３ａに臨んだ
状態となっている。
【００１９】また、梁部（本発明でいうバネ部）２２
は、２本の梁がその両端で連結されてなり、図１中の矢
印Ｙで示すＹ軸方向と直交する方向に長辺を持つ長方形
枠状をなしており、梁の長手方向と直交する方向（Ｙ軸
方向）に変位するバネ機能を有する。
【００２０】具体的には、梁部２２は、Ｙ軸方向の成分
を含む加速度を受けたときに、錘部２１をＹ軸方向へ変
位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復
元させるようになっている。このように、梁部２２に連
結された錘部２１は、加速度の印加に応じて、開口部１
３ａ上にて梁部２２とともにＹ軸方向（所定方向）へ変
位するようになっている。
【００２１】また、錘部２１におけるＹ軸方向に沿った
軸を中心として、錘部２１の両側の側面（図１中の左右
両側面）には、それぞれ、複数個（図示例では６個ずつ
合計１２個）の棒状の可動電極２４が、Ｙ軸と直交する
方向へ突出して延びており、櫛歯状に形成されている。
個々の可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されて、開
口部１３ａに臨んだ状態となっている。
【００２２】このように、錘部２１と一体形成され可動
部２０の一部を構成する可動電極２４は、錘部２１とと
もにＹ軸方向へ変位可能となっている。また、本実施形
態では、図１に示す様に、Ｙ軸方向と直交する方向にお
いて、梁部２２における梁幅Ｗ１と可動電極２４の幅Ｗ
２とが略同程度（Ｗ１≒Ｗ２）となっている。
【００２３】また、固定部３０は、個々の可動電極２４
と対向するように第１シリコン基板（基部）１１から突
出して延びる複数個の棒状の固定電極３１、３２を備え
ている。各固定電極３１、３２は、第１シリコン基板１
１に片持ち支持されて、錘部２１の左右一対の櫛歯状の
可動電極２４における櫛歯の隙間に噛み合うように対向
して配置されている。
【００２４】この左右一対の固定電極３１、３２は、図
１中の左側に位置する第１の固定電極３１と、右側に位
置する第２の固定電極３２とより成り、第１の固定電極
３１と第２の固定電極３２とは、互いに電気的に独立し
ている。個々の固定電極（図示例では左右６個ずつ）３
１、３２は、断面矩形の梁状に形成されており、各配線
部３１ａ、３２ａに片持ち状に支持された状態で、開口
部１３ａに臨んだ状態となっている。
【００２５】そして、固定電極３１、３２における個々
の電極の側面は、個々の可動電極２４の側面と所定の間
隔を存して平行した状態で対向して配置されている。こ
こで、可動及び固定電極２４、３１、３２の対向する間
隔のうち狭い方の間隔が、加速度検出時において静電容
量変化の検出に用いられる検出間隔４０であり、検出間
隔４０とは反対側の広い方の間隔は、加速度検出時にお
いて静電容量変化の検出に用いない非検出間隔である。
【００２６】また、各固定電極３１、３２の各配線部３
１ａ、３２ａ上の所定位置には、それぞれワイヤボンデ
ィング用の固定電極パッド３１ｂ、３２ｂが形成されて
いる。また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結され
た状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、こ
の配線部２５上の所定位置には、ワイヤボンディング用
の可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電
極パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂは、例えばアルミニウ
ムにより形成されている。
【００２７】更に、錘部２１には、開口部１３ａ側から
反対側に貫通する矩形状の貫通孔５０が複数形成されて
おり、これら貫通孔５０により、矩形枠状部を複数組み
合わせた所謂ラーメン構造形状が形成されている。これ
により、可動部２０の軽量化、捩じり強度の向上がなさ
れている。
【００２８】また、図２に示す様に、本センサ１００
は、第１シリコン基板１１の裏面（酸化膜１３とは反対
側の面）側において接着剤６０を介してパッケージ７０
に接着固定されている。このパッケージ７０には、後述
する回路手段８０が収納されている。そして、この回路
手段８０と上記の各電極パッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂ
とは、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディング等
により形成されたワイヤ（図示せず）等により電気的に
接続されている。
【００２９】このような構成においては、第１の固定電
極３１と可動電極２４との検出間隔４０に第１の容量
（ＣＳ１とする）、第２の固定電極３２と可動電極２４
との検出間隔４０に第２の容量（ＣＳ２とする）が形成
されている。そして、加速度を受けると、梁部２２のバ
ネ機能により、可動部２０全体が一体的にＹ軸方向へ変
位し、可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、
ＣＳ２が変化する。そして、上記検出回路８０は、可動
電極２４と固定電極３１、３２による差動容量（ＣＳ１
−ＣＳ２）の変化に基づいて加速度を検出する。
【００３０】図３に、本センサ１００の検出回路図を示
す。検出回路８０において、８１はスイッチドキャパシ
タ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路８１は、容量
がＣｆであるコンデンサ８２、スイッチ８３及び差動増
幅回路８４を備え、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ
２）を電圧に変換するものである。
【００３１】また、この検出回路８０に対するタイミン
グチャートの一例を図４に示す。上記センサ１００にお
いては、例えば、固定電極パッド３１ｂから搬送波１
（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）、固定
電極パッド３２ｂから搬送波１と位相が１８０°ずれた
搬送波２（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５
Ｖ）を入力し、ＳＣ回路８１のスイッチ８３を図に示す
タイミングで開閉する。そして、印加加速度は、次の数
式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。
【００３２】
【数１】Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ／Ｃｆ ここで、Ｖは両パッド３１ｂ、３２ｂの間の電圧差であ
る。このタイミングチャートに示す様に、力学量センサ
においては、力学量の検出を周期的に変化する搬送波信
号の周期に合わせて検出するのが通常である。
【００３３】ところで、本実施形態では、センサ出力に
影響を与えない程度に可動部の自由振動時間を短くする
ために、可動部２０のＹ軸方向への振動のＱ値を、可動
部２０のＹ軸方向への振動における共振周波数の１／５
００倍よりも小さくした構成としている。この構成は、
次のような検討を行った結果得られたものである。
【００３４】本センサ１００のバネ−マス系モデルを図
５に示す。図５に示す様に、可動部２０を質量ｍのマス
部とし、梁部（バネ部）２２のバネ定数をｋとし、可動
電極２４と固定電極３１、３２との間の減衰係数をｃと
している。このモデルに従えば、可動部２０の自由振動
は、変位（上記Ｙ軸方向の変位）をｘ、時間をｔとする
と、図６に示す様に減衰する。このときの減衰曲線Ｋ１
は次の数式２中の前者、減衰曲線Ｋ２は数式２中の後者
で表される。
【００３５】
【数２】ｘ＝Ｂ・ｅｘｐ｛（−πｆ／Ｑ）・ｔ｝ ｘ＝−Ｂ・ｅｘｐ｛（−πｆ／Ｑ）・ｔ｝ ここで、ｆは可動部２０の１次共振周波数、即ちＹ軸方
向への振動における共振周波数である。また、この１次
共振周波数ｆ及びＱ値は、上記質量ｍ、バネ定数ｋ、減
衰係数ｃを用いて次の数式３のように表される。
【００３６】
【数３】ｆ＝（１／２π）・（ｋ／ｍ）1/2 Ｑ＝（ｋ・ｍ）1/2／ｃ 一方、加速度センサ１００においては、通常、高いＧ
（衝撃）が印加されても、５ｍｓ以内に当該高Ｇの１％
以内になるまで可動部２０の自由振動が減衰することが
要求されている。この要求を満足する条件を上記減衰曲
線Ｋ１、Ｋ２から求めると、可動部２０のＹ軸方向への
振動のＱ値が、可動部２０のＹ軸方向への振動における
共振周波数ｆの１／５００倍よりも小さくなることが必
要となる。
【００３７】そして、本センサ１００においては、当該
Ｑ値が当該共振周波数ｆの１／５００倍未満となってい
るため、実用レベルにおいて大きな衝撃が印加されて
も、センサ出力に影響を与えない程度に可動部２０の自
由振動の時間を短くすることができるのである。
【００３８】例えば、本センサ１００においては、上述
したように、Ｙ軸方向と直交する方向において、梁部２
２の幅Ｗ１と可動電極２４の幅Ｗ２とを略同程度とし、
可動電極２４の軽量化ひいては可動部２０の軽量化を図
ることによって、上記Ｑ値を上記共振周波数ｆの１／５
００倍よりも小さくすることを好適に実現している。
【００３９】また、従来では、可動電極の幅は、梁部の
幅よりも厚く硬いものであったが、本例のように、梁部
２２の幅Ｗ１と可動電極２４の幅Ｗ２とを略同程度と薄
くした場合、可動電極２４が梁部２２よりも柔らかくな
る可能性がある。すると、加速度の印加時に梁部２２に
よって可動部２０が動く前に可動電極２４が変位してし
まい、検出間隔４０が変化してしまうため、センサ出力
の誤差となる。
【００４０】このような問題に対しても検討を加えた結
果、本実施形態においては、次のような構成を採用する
ことが好ましい。即ち、本センサ１００のように、棒状
の可動電極２４が複数個設けられている場合に、上記長
方形枠状の梁部２２の長さをＬ１、可動電極２４の個数
をｎ、個々の可動電極２４の長さをＬ２としたとき（図
１参照）、可動電極の長さＬ２が（ｎ／３）1/3・Ｌ１
よりも小さい構成（ここで、ｎは可動電極の個数）を採
用することが好ましい。
【００４１】このＬ１、Ｌ２、ｎの関係は次のように導
出することができる。梁部２２及び可動電極２４の幅Ｗ
１、Ｗ２をｂ、可動電極２４及び梁部２２の厚さ（第２
シリコン基板１２の厚さ）をｈ（図２参照）、シリコン
（Ｓｉ）のヤング率をＥ、可動電極２４及び梁部２２の
密度をρとすると、梁部２２の共振周波数ｆ１、可動電
極２４の共振周波数ｆ２は、それぞれ次の数式４、数式
５にて表される。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】ここで、可動電極２４を梁部２２よりも硬
いものとするには、梁部２２の共振周波数ｆ１が可動電
極２４の共振周波数ｆ２よりも小さい（ｆ１＜ｆ２）必
要がある。そして、ｆ１＜ｆ２及び上記数式４及び５か
ら、次の数式６に示す様に上記関係が得られる。
【００４５】
【数６】Ｌ２＜（ｎ／３）1/3・Ｌ１ そして、この数式６を満足するように可動電極の長さＬ
２と梁部の長さＬ１とを設定することにより、可動電極
２４を梁部２２よりも硬いものとできるため、センサ出
力精度を適切に確保することができ、好ましい。
【００４６】以上述べてきたように、本実施形態によれ
ば、上記可動部２０におけるＱ値と共振周波数との関係
を規定することで、大きな衝撃が印加されても、センサ
出力に影響を与えない程度に可動部の自由振動を早める
ことができるため、高衝撃加速度に対し出力を安定させ
た加速度センサを提供することができる。
【００４７】なお、上記実施形態において、可動電極及
び固定電極は複数個でなくとも、それぞれ１個ずつであ
っても良い。また、バネ部の構成も上記梁部２２以外の
構成であっても良い。
【００４８】要するに、本発明は、基部と、この基部に
連結され力学量の印加に応じて所定方向へ変位するバネ
機能を有するバネ部と、このバネ部に連結されバネ部と
ともに所定方向へ変位可能な可動部と、この可動部に一
体に形成された可動電極と、基部に支持され可動電極と
対向して配置された固定電極とを備え、力学量の印加時
に可動電極と固定電極との間隔の変化に基づいて印加力
学量を検出する力学量センサにおいて、上記可動部にお
けるＱ値と共振周波数ｆとの関係を規定したものであ
り、他の部分は適宜設計変更可能である。
【００４９】また、本発明は、加速度センサ以外にも角
速度センサ、圧力センサ等の力学量センサに用いること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの
概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った模式的断面図であ
る。
【図３】図１に示す半導体加速度センサの検出回路図で
ある。
【図４】図３に示す検出回路に対するタイミングチャー
トの一例を示す図である。
【図５】図１に示す半導体加速度センサのバネ−マス系
モデルを示す図である。
【図６】図５に示すモデルに基づく可動部の減衰振動の
様子を示す図である。
【符号の説明】
１１…第１シリコン基板（基部）、２０…可動部、２２
…梁部（バネ部）、２４…可動電極、３１…第１の固定
電極、３２…第２の固定電極、４０…検出間隔、Ｗ１…
梁部２２における梁幅、Ｗ２…可動電極の幅。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB03 BB04 CC04 CD03 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 DA04 EA02 EA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基部（１１）と、 この基部に連結され力学量の印加に応じて所定方向
    （Ｙ）へ変位するバネ機能を有するバネ部（２２）と、 このバネ部に連結され前記バネ部とともに前記所定方向
    へ変位可能な可動部（２０）と、 この可動部に一体に形成された可動電極（２４）と、 前記基部に支持され前記可動電極と対向して配置された
    固定電極（３１、３２）とを備え、 力学量の印加に応じて前記可動電極が変位したとき、前
    記可動電極と前記固定電極との間隔（４０）の変化に基
    づいて印加力学量を検出する力学量センサにおいて、 前記可動部の前記所定方向への振動のＱ値が、前記可動
    部の前記所定方向への振動における共振周波数の１／５
    ００倍よりも小さくなっていることを特徴とする力学量
    センサ。
  2. 【請求項２】 前記バネ部は前記所定方向（Ｙ）と直交
    する方向に長辺を持つ長方形枠状をなす梁部（２２）で
    あり、 前記可動電極（２４）及び前記固定電極（３１、３２）
    は共に前記所定方向と直交する方向に延びる棒状のもの
    であり、 前記可動電極と前記固定電極の互いの側面が対向して配
    置されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量
    センサ。
  3. 【請求項３】 前記所定方向（Ｙ）と直交する方向にお
    いて、前記梁部（２２）の幅（Ｗ１）と前記可動電極
    （２４）の幅（Ｗ２）とが略同程度であることを特徴と
    する請求項２に記載の力学量センサ。
  4. 【請求項４】 前記可動電極（２４）は複数個設けられ
    ており、 この可動電極の個数をｎ、個々の前記可動電極の長さを
    Ｌ２、前記梁部（２２）の長さをＬ１としたとき、 前記Ｌ２は、（ｎ／３）1/3・Ｌ１よりも小さいことを
    特徴とする請求項３に記載の力学量センサ。
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