JP2010232431A - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自己診断信号を印加して検出用バネ部を変位させ、可動電極に擬似的な加速度を発生させることにより自己診断を行う自己診断機能を有する容量式加速度センサにおいて、検出用バネ部の剛性が高くなっても、自己診断を適切に行えるようにする。
【解決手段】可動電極２３の変位方向であるｘ軸方向には弾性的に変位しないがｘ軸とは直交するｙ軸方向には弾性的に変位可能な固定電極用バネ部３２、４２を介して、固定電極３１、４１を第１シリコン基板１１に支持し、静電引力によって固定電極用バネ部３２、４２を弾性的に変位させることにより、ｙ軸方向にて可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積が増加する方向に、固定電極３１、４１を変位させる固定電極変位手段６０を備え、この固定電極変位手段６０によって、加速度検出時よりも可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積を増加させた状態で自己診断を行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度や角速度、圧力などの物理量の印加時にバネ部の弾性的な変位によって可動電極を変位させ、可動電極とこれに対向する固定電極との間の容量変化に応じて物理量する容量式物理量検出装置に関し、特に、可動電極に擬似的な物理量を発生させて自己診断を行うようにしたものに関する。

従来より、物理量を検出する容量式物理量検出装置において、自己診断を行うようにしたものとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載のものが提案されている。このものは、半導体基板に対して半導体プロセスにより、各電極やバネ部を形成してなるものである。

具体的には、このものは、支持基板と、支持基板に支持され物理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検出用バネ部と、検出用バネ部に一体に形成され検出用バネ部の弾性的な変位によって所定方向に変位可能な可動電極と、支持基板に支持され可動電極に対向して配置された固定電極と、を備えて構成されている。

さらに、この検出装置には、周期的に変化する信号であって物理量を検出するための検出信号と周期的に変化する信号であって自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて、可動電極と固定電極との間に印加する信号印加手段と、可動電極と固定電極とからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路とが備えられている。

そして、この検出装置においては、検出信号の印加中に発生する容量の変化に応じて物理量を検出し、自己診断信号の印加によって検出用バネ部を弾性的に変位させることにより、可動電極に擬似的な物理量を発生させ、この擬似的な物理量を検出することで自己診断を行うようにしている。

特開２００１−９１５３５号公報 特開２００３−１２１４５７号公報

ところで、上記した従来の容量式物理量検出装置においては、目的等に応じて検出バネ部の剛性を高くする必要がある。たとえば、物理量として高いレンジの加速度を検出する場合には、検出バネ部のバネ剛性を高くすることが必要となる。

ここで、自己診断については、可動電極と固定電極との間に静電気力を作用させ、これによって発生する可動電極の変位を電圧に変換することで、自己診断を行っていたが、検出バネ部のバネ剛性が高くなると、自己診断時における可動電極の変位量が小さくなり、自己診断に必要な出力を得ることができなくなってしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、自己診断信号を印加して検出用バネ部を変位させ、可動電極に擬似的な物理量を発生させることにより自己診断を行う自己診断機能を有する容量式物理量検出装置において、検出用バネ部の剛性が高くなっても、自己診断を適切に行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、検出用バネ部（２２）に一体に形成された可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との間に周期的に変化する信号を印加して、これら両電極からなる容量の変化に応じた電圧を出力することにより物理量を検出するようにし、物理量を検出するための検出信号と自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて印加し、該自己診断信号の印加によって検出用バネ部（２２）を変位させ可動電極（２３）に疑似的な物理量を発生させるようにした容量式物理量検出装置において、さらに以下のような点を特徴としている。

・可動電極（２３）の変位方向（ｘ）には弾性的に変位しないが当該変位方向（ｘ）とは直交する方向（ｙ）には弾性的に変位可能な固定電極用バネ部（３２、４２）を介して、固定電極（３１、４１）を支持基板（１１）に支持すること。

・静電引力によって固定電極用バネ部（３２、４２）を弾性的に変位させることにより、上記直交する方向（ｙ）にて可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との対向面積が増加する方向に、固定電極（３１、４１）を変位させる固定電極変位手段（６０）を備えること。

・この固定電極変位手段（６０）によって、物理量を検出するときよりも可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との対向面積を増加させた状態で自己診断を行うようにしたこと。本発明は、これらの点を特徴としている。

それによれば、自己診断を行うときには、可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との対向面積が大きくなり、当該両電極（２３、３１、４１）間の容量も大きくなるので、検出感度が向上し、検出用バネ部（２２）の剛性が高くなっても、自己診断を適切に行うことが可能となる。

ここで、請求項２および請求項３に記載の発明では、請求項１の容量式物理量検出装置において、さらに次のような点を特徴としている。

・可動電極（２３）と一体に形成され、可動電極（２３）とともに所定方向（ｘ）に変位する錘部（２１）を備え、この錘部（２１）と離れて対向するように、固定電極用バネ部（３２、４２）を支持基板（１１）に支持する固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）を備えること。

・可動電極（２３）の変位方向である所定方向をｘ軸方向、上記所定方向とは直交する方向であって固定電極（３１、４１）が固定電極用バネ部（３２、４２）によって変位する方向をｙ軸方向とし、これらｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向をｚ軸方向としたとき、可動電極（２３）を、錘部（２１）から固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）側に突出しｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものとし、固定電極（３１、４１）を、固定電極用バネ部（３２、４２）から錘部（２１）側に突出しｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものとし、可動電極（２３）および固定電極（３１、４１）においてｙ軸方向に延びる側面同士を対向させ、当該対向する側面同士の間に容量を形成したこと。

そして、上記柱状をなす可動および固定電極の場合、さらに請求項２では、ｘ軸およびｙ軸を含む平面であるｘｙ平面に沿った可動電極（２３）の平面形状および固定電極（３１、４１）の平面形状を、ともに、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状としている。

この構成は、たとえば加速度センサ等に用いられる櫛歯状の可動および固定電極の構成に適用して好ましいものであり、自己診断時には、互いに対向する両電極（２３、３１、４１）の側面同士の対向面積が増加するものとなる。

また、上記柱状をなす可動および固定電極の場合、請求項３のように、ｘｙ平面に沿った可動電極（２３）の平面形状を、錘部（２１）側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とし、ｘｙ平面に沿った固定電極（３１、４１）の平面形状を、固定電極用バネ部（３２、４２）側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状としてもよい。

この楔形状の構成の場合、自己診断時に可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との対向面積を増加させたときに、物理量検出時よりも、可動電極（２３）と固定電極（３１、４１）との電極間隔が縮まり、これら電極間の容量を大きくすることができ、自己診断の検出感度の向上が図れる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項２または請求項３に記載の容量式物理量検出装置においては、固定電極用バネ部（３２、４２）は、ｘ軸方向に沿って延び固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）に連結された第１の梁（３２ａ、４２ａ）と、この第１の梁（３２ａ、４２ａ）とはｙ軸方向にて離れて配置されるとともにｘ軸方向に沿って延び固定電極（３１、４１）に連結された第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）と、これら第１及び第２の梁のｘ軸方向における両端部を連結する連結部（３２ｃ、４２ｃ）とを備える細長の枠形状をなすものであって、第１の梁（３２ａ、４２ａ）と第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）との間隔が変化するように、弾性的に変位するものであってもよい。

それによれば、固定電極用バネ部（３２、４２）の占有スペースを極力小さくすることができ、装置の小型化の点で有利である。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載の容量式物理量検出装置においては、固定電極変位手段（６０）は、固定電極用バネ部（３２、４２）の第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）に対してｙ軸方向にて離間して対向配置された静電引力発生用電極（６１）を備えており、この静電引力発生用電極（６１）に電圧を印加することにより、第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）に静電引力を作用させて、固定電極用バネ部（３２、４２）を弾性的に変位させるものであるものにできる。

それによれば、請求項４の固定電極用バネ部（３２、４２）の構成に好適な固定電極変位手段（６０）が提供される。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。

本発明の第1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１中のＡ−Ａ概略断面図である。 図１中のＢ―Ｂ概略断面図である。 図１中のＣ―Ｃ概略断面図である。 第1実施形態に係る固定電極変位手段の模式的な構成を示す図である。 図５に示す固定電極変位手段の作動を説明するための概略平面図である。 図１に示すセンサにおける回路手段の具体的構成を示す図である。 図７に示す回路手段の通常動作時の作動説明に供する信号波形図である。 図７に示す回路手段の自己診断時の作動説明に供する信号波形図である。 本発明の第２実施形態に係る固定部および固定電極変位手段の模式的な構成を示す図である。 図１０に示す固定電極変位手段の作動を説明するための概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態は、容量式物理量検出装置として、差動容量式の半導体加速度センサに本発明を適用したものである。この半導体加速度センサは、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できる。

図１は、本実施形態に係る半導体加速度センサ１００の概略平面構成を示す図、図２は、図１中の一点鎖線Ａ−Ａに沿った模式的な断面構造を示す図、図３は、図１中の一点鎖線Ｂ−Ｂに沿った模式的な断面構造を示す図、図４は、図１中の一点鎖線Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面構造を示す図である。

半導体加速度センサ（以下、単にセンサという）１００は、半導体基板１０に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。ここでは、センサ１００を構成する半導体基板１０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。本実施形態では、第１シリコン基板１１は支持基板として構成されている。

第２シリコン基板１２には、当該第２シリコン基板１２をエッチングしてパターニングすることにより、可動部２０及び固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。

これら可動部２０及び固定部３０、４０には、支持基板としての第１シリコン基板１１に固定されて支持されるアンカー部２０ａ、３０ａ、４０ａが備えられている。ここでは、これら各アンカー部２０ａ〜４０ａは、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（図２、図４参照）。

また、可動部２０及び固定部３０、４０のうち各アンカー部２０ａ〜４０ａ以外の部位については、その直下の酸化膜１３が犠牲層エッチング等によりに除去されており、第１シリコン基板１１から離れた状態とされている。このように可動部２０及び固定部３０、４０は、それぞれのアンカー部２０ａ〜４０ａにて、第１シリコン基板１１に支持されている。

可動部２０は、細長矩形状の錘部２１と、この錘部２１の両端に連結された検出用バネ部２２と、錘部２１に一体に連結された可動電極２３とを備え、検出用バネ部２２が可動部２０のアンカー部２０ａに一体に連結された構成となっている。これにより、錘部２１、検出用バネ部２２及び可動電極２３は、支持基板である第１シリコン基板１１に支持されるとともに第１シリコン基板１１とは離れた状態となっている。

ここで、検出用バネ部２２は、平行に配置された２本の梁がその両端で連結された細長の枠形状をなしており、これら梁の長手方向と直交する方向に弾性的に変位するバネ機能を有する。

具体的には、検出用バネ部２２は、図１中のｘ軸方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１をｘ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、錘部２１および可動電極２３は、加速度の印加に応じて、所定方向、すなわち検出用バネ部２２の変位方向（ｘ軸方向）へ変位可能となっている。

ここで、図１に示されるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向について述べておく。上述のように、ｘ軸方向は検出用バネ部２２の変位方向であるとともに、錘部２１および可動電極２３の変位方向でもある。

また、ｙ軸方向は、支持基板である第１シリコン基板１１の可動部２０及び固定部４０を支持する支持面（図２〜図４中の第１シリコン基板１１の上面）に平行な面内において、ｘ軸方向と直交する方向である。また、ｚ軸方向は、第１シリコン基板１１の上記支持面に直交する方向、すなわち、ｘ軸およびｙ軸を含む平面としてのｘｙ平面に直交する方向である。

本実施形態では、可動電極２３は、検出用バネ部２２の変位方向であるｘ軸方向と直交するｙ軸方向に沿って、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ突出し、当該ｙ軸方向に延びる柱状をなしている。図１では、可動電極２３は、錘部２１の上側及び下側のそれぞれにおいてｙ軸方向に沿って突出して形成されている。

本実施形態では、各可動電極２３は、図２に示されるように、第１シリコン基板１１上にて当該第１シリコン基板１１とは離れて配置されているため、錘部２１とともに検出用バネ部２２の変位方向であるｘ軸方向へ変位可能となっている。

固定部３０、４０は、錘部２１を挟んで錘部２１のｙ軸方向における一方側と他方側とにそれぞれ設けられており、図１中の上側に位置する第１の固定部３０と、図１中の下側に位置する第２の固定部４０とよりなる。そして、これら両固定部３０、４０は互いに電気的に独立したものとされている。なお、図３、図４では、第２の固定部４０を示しているが、第１の固定部３０もこれと同様の構成である。

各固定部３０、４０は、アンカー部３０ａ、４０ａと、これに一体に連結された固定電極用バネ部３２、４２および固定電極３１、４１とを有した構成となっている。なお、第１の固定部３０側の固定電極３１を第１の固定電極３１とし、第２の固定部４０側の固定電極４１を第２の固定電極４１とする。

各アンカー部３０ａ、４０ａは、固定部３０、４０を第１シリコン基板１１の上記支持面に固定・支持するものであり、図４に示されるように、第１シリコン基板１１の支持面上に、酸化膜１３を介して支持されている。

そして、固定電極用バネ部３２、４２は、固定電極支持部としてのアンカー部３０ａ、４０ａに連結され当該アンカー部３０ａ、４０ａを介して第１シリコン基板１１に支持されている。また、固定電極３１、４１は、固定電極用バネ部３２、４２から錘部２１側に突出する柱状をなしている。つまり、固定電極３１、４１は、固定電極用バネ部３２、４２を介してアンカー部３０ａ、４０ａに片持ち状に支持された状態となっている。

そして、図３、図４に示されるように、各固定電極３１、４１および固定電極用バネ部３２、４２の直下では、酸化膜１３は除去されており、各固定電極３１、４１および固定電極用バネ部３２、４２は、第１シリコン基板１１上にて当該第１シリコン基板１１とは離れて配置されている。

ここで、固定電極３１、４１と可動電極２３とは、所定の検出間隔５０を介して対向しており、この検出間隔５０において加速度検出のための容量が形成されている。ここでは、図１に示されるように、可動電極２３は、錘部２１から固定部のアンカー部３０ａ、４０ａ側に突出し、ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものである。

一方、固定電極３１、４１は、固定電極用バネ部３２、４２から錘部２１側に突出し、ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものである。そして、図１に示されるように、ｘｙ平面に沿った可動電極２３の平面形状および固定電極３１、４１の平面形状は共に、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状とされている。

つまり、本実施形態では、可動および固定の両電極２３、３１、４１は、互いに幅が一定のストレートな柱状をなしている。そして、可動電極２３および固定電極３１、４１においてｙ軸方向に延びる側面同士が上記検出間隔５０を介して平行な状態で対向しており、当該対向する側面同士の間に上記加速度検出のための容量が形成されている。

また、固定電極用バネ部３２、４２は、第１シリコン基板１１上で弾性的に変位可能な状態で、アンカー部３０ａ、４０ａを介して第１シリコン基板１１に支持されている。この固定電極用バネ部３２、４２は、可動電極２３の変位方向であるｘ軸方向には弾性的に変位しないがｘ軸方向とは直交するｙ軸方向には弾性的に変位可能なものである。

具体的には、本実施形態の固定電極用バネ部３２、４２は、図１、図４に示されるように、上記検出用バネ部２２と同様の２本の梁よりなるものであり、上記検出用バネ部２２をｘｙ平面内で９０度回転させた構成に相当するものである。

すなわち、固定電極用バネ部３２、４２は、ｘ軸方向に沿って延びる２本の第１の梁３２ａ、４２ａおよび第２の梁３２ｂ、４２ｂを、互いにｙ軸方向にて離れて配置するとともに、これら第１及び第２の梁３２ａ、４２ａ、３２ｂ、４２ｂのｘ軸方向における両端部を連結部３２ｃ、４２ｃによって連結してなる細長の枠形状をなしている。そして、第１の梁３２ａ、４２ａの中間部にアンカー部３０ａ、４０ａを一体に連結し、第２の梁３２ｂ、４２ｂの中間部に固定電極３１、４１が一体に連結されている。

そして、この固定電極用バネ部３２、４２においては、第１の梁３２ａ、４２ａ、第２の梁３２ｂ、４２ｂおよび連結部３２ｃ、４２ｃの各部が弾性変形可能とされており、ｙ軸方向に沿った第１の梁３２ａ、４２ａと第２の梁３２ｂ、４２ｂとの間隔が大きくなったり、小さくなったりするように弾性的な変位が行われるようになっている。そうすることで、固定電極３１、４１とこれを支持するアンカー部３０ａ、４０ａとのｙ軸方向に沿った距離が変化するようになっている。

こうして、本実施形態の固定電極用バネ部３２、４２は、可動電極２３の変位方向であるｘ軸方向への動きについては拘束されるが、固定電極３１、４１が固定電極用バネ部３２、４２によって変位する方向であるｙ軸方向への動きについては自由度を有するように、弾性力を発揮するものとされている。

また、本実施形態のセンサ１００には、各固定部３０、４０について、固定電極用バネ部３２、４２を弾性的に変位させて固定電極３１、４１を変位させる固定電極変位手段６０が設けられている。図５は、この固定電極変位手段６０および第２の固定部４０の模式的な構成を示す図である。なお、第１の固定部３０およびこれに設けられる固定電極変位手段６０については、図５と同様である。

固定電極変位手段６０は、固定電極用バネ部３２、４２の近傍に設けられた静電引力発生用電極６１と、この静電引力発生用電極６１に電圧を印加する静電引力発生回路６２とを備えて構成されている。

この静電引力発生用電極６１は、図１、図３、図５に示されるように、固定電極用バネ部３２、４２において固定電極３１、４１側に位置する第２の梁３２ｂ、４２ｂに対して、ｙ軸方向にて離間して対向配置されている。

この静電引力発生用電極６１は、半導体基板１０における梁構造体２０〜４０と同様に、第２シリコン基板１２をマイクロマシン加工することにより形成されるものであり、各アンカー部２０ａ、３０ａ、４０ａと同様に、酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に固定され支持されている。

この静電引力発生用電極６１は、第２の梁３２ｂ、４２ｂとの対向面積を大きくするために、第２の梁３２ｂ、４２ｂとの対向面積の方が固定電極３１、４１との対向面積よりも大きくなるような形状とされている。ここでは、上記ｘｙ平面に沿った静電引力発生用電極６１の平面形状は、図１、図５に示されるように、第２の梁３２ｂ、４２ｂに沿った長辺を持つ長方形をなしている。

また、静電引力発生回路６２は、半導体基板１０の外部に設けられた後述のパッケージに収納された回路基板などに備えられたものであり、静電引力発生用電極６１に対して印加する電圧のオン・オフが切り替え可能なものである。この静電引力発生回路６２と静電引力発生用電極６１とは、半導体基板１０に設けられた図示しない配線やパッドを介して、ワイヤボンディングやバンプ接合などにより電気的に接続されている。

図６は、この固定電極変位手段６０の作動を説明するための概略平面図であり、（ａ）はセンサ１００の全体を概略的に示し、（ｂ）は第２の固定部４０を部分的に拡大して示している。

なお、図６（ａ）では、検出用バネ部２２がｘ軸方向に沿って図中の左方向に変位している状態とされている。また、図６では、固定電極３１、４１及び固定電極用バネ部３２、４２は、静電引力の印加前の状態を破線で示し、印加後の状態を実線で示している。また、図６（ｂ）では、第２の固定部４０について示してあるが、第１の固定部３０についても、図６（ｂ）と同様である。

本実施形態では、静電引力発生回路６２によって静電引力発生用電極６１に電圧を印加することにより、静電引力発生用電極６１と固定電極用バネ部３２、４２における第２の梁３２ｂ、４２ｂとの間に、ｙ軸方向の成分を含む静電引力が作用する。

すると、図６に示されるように、第２の梁３２ｂ、４２ｂが静電引力発生用電極６１側に引きつけられ両梁３２ａ、４２ａと３２ｂ、４２ｂとの間隔が大きくなるように、固定電極用バネ部３２、４２がｙ軸方向に沿って弾性的に変位する。それとともに、固定電極３１、４１は、ｙ軸方向に沿って錘部２１に近づく方向に変位する。

そのため、検出間隔５０においては、静電引力印加前よりも印加後の方が、可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積が増加する。このときｘ軸方向の加速度が印加されると、当該対向面積が増加した状態のままで、検出用バネ部２２の作用によって可動電極２３はｘ軸方向に変位する。

そして、静電引力発生回路６２からの電圧の供給を停止すれば、上記静電引力は消失し、この静電引力の消失に応じて、固定電極用バネ部３２、４２は元の状態に復元し、固定電極３１、４１も静電引力印加前の位置に戻るようになっている。こうして、固定電極３１、４１は、静電引力の印加に応じて、固定電極用バネ部３２、４２の変位方向であるｙ軸方向へ変位可能となっている。

このように、固定電極変位手段６０は、固定電極用バネ部３２、４２を弾性的に変位させることにより、ｙ軸方向にて可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積が増加する方向に、固定電極３１、４１を変位させるものとして構成されている。

また、図示しないが、半導体基板１０の適所には、可動電極２３と電気的に接続された可動電極パッド２３ａ（後述の図７参照）、および、固定電極３１、４１と電気的に接続された固定電極パッド３１ａ、４１ａ（後述の図７参照）が形成されている。そして、これら各パッドにより、可動電極２３及び固定電極３１、４１は、後述する回路手段２００（後述の図７参照）と接続されるようになっている。

また、図示しないが、本センサ１００を構成する半導体基板１０は、パッケージに設置されており、このパッケージには、上記した固定電極変位手段としての静電引力発生回路６２や回路手段２００を構成する回路基板や回路チップなどが収納されている。そして、この回路手段２００と上記の各電極パッド２３ａ、３１ａ、４１ａとは、ワイヤボンディングやバンプ接合等により電気的に接続されている。

次に、本実施形態のセンサ１００における加速度検出および自己診断の作動について述べる。図７は、本センサ１００に設けられた上記回路手段２００の構成を示す図である。この回路手段２００は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）２１０及びスイッチ回路２２０を有する。

本センサ１００においては、第１の固定電極３１と可動電極２３との検出間隔５０に第１の容量ＣＳ１が形成され、第２の固定電極４１と可動電極２３との検出間隔５０に第２の容量ＣＳ２が形成されている。

そして、加速度を受けると、検出用バネ部２２のバネ機能により、アンカー部２０ａを除く可動部２０全体が一体的にｘ軸方向へ変位し、可動電極２３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２００は、可動電極２３と固定電極３１、４１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。

Ｃ−Ｖ変換回路２１０は、可動電極２３と固定電極３１、４１とからなる容量ＣＳ１、ＣＳ２の変化を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器２１１、コンデンサ２１２、及びスイッチ２１３から構成されている。

演算増幅器２１１の反転入力端子は、可動電極パッド２３ａを介して可動電極２３に接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１２およびスイッチ２１３が並列に接続されている。また、演算増幅器２１１の非反転入力端子には、スイッチ回路２２０を介してＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかが入力される。

スイッチ回路２２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１０における演算増幅器２１１の非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からのＶ／２の電圧とＶ１（Ｖ／２とは異なる）の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ２２１とスイッチ２２２から構成されている。スイッチ２２１とスイッチ２２２は、一方が閉じているときに他方が開くようになっている。

また、回路手段２００は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は、固定電極パッド３１ａから、一定振幅Ｖで周期的に変化する搬送波Ｐ１を第１の固定電極３１へ入力し、固定電極パッド４１ａから、搬送波Ｐ１と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖである搬送波Ｐ２を第２の固定電極４１へ入力する。

また、この制御回路は、上記の各スイッチ２１３、２２１、２２２の開閉を所定のタイミングにて制御できるようになっている。本実施形態では、この制御回路と上記スイッチ回路２２０とにより、信号印加手段が構成される。

上記構成においてその作動を説明する。まず、加速度を検出する検出信号を印加する状態（通常動作時）について図８に示す信号波形図を参照して説明する。

信号印加手段としての上記制御回路から出力される搬送波Ｐ１（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）は、図８に示すように、期間φ１を１周期（例えば１０μｓ）としてハイレベルとローレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波Ｐ２は、搬送波Ｐ１に対して電圧レベルが反転した矩形波信号となっている。

また、通常動作時では、上記の各搬送波Ｐ１及びＰ２が各固定電極３１、４１へ印加されているとき、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１は閉、スイッチ２２２は開になっている。それによって、演算増幅器２１１の非反転入力端子にＶ／２の電圧が印加され、可動電極２３にはＶ／２（例えば２．５Ｖ）の一定電圧（可動電極信号）が印加されている。

この状態において加速度が印加されていない場合には、第１の固定電極３１と可動電極２３との電位差、及び、第２の固定電極４１と可動電極２３との電位差は、共にＶ／２となり、第１の固定電極３１と可動電極２３との間の静電気力、及び、第２の固定電極４１と可動電極２３との間の静電気力は、略等しく釣り合っている。

また、通常動作時では、Ｃ−Ｖ変換回路２２０において、スイッチ２１３は図８に示すタイミングで開閉される。このスイッチ２１３が閉のとき（期間φ２）、コンデンサ２１２がリセットされる。一方、スイッチ２１３が開のときに、加速度検出が行われる。つまり、期間φ１のうち期間φ２以外の期間が加速度を検出する期間である。この検出期間において、Ｃ−Ｖ変換回路２２０からの出力電圧Ｖ０は、次の数式１で示される。

(数１)
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ’／Ｃｆ
ここで、Ｖ’は両パッド３１ａ及び４１ａ間、即ち、両固定電極３１及び４１の間の電圧であり、Ｃｆはコンデンサ２１２の容量である。

加速度が印加されると、第１の容量ＣＳ１と第２の容量ＣＳ２とのバランスが変化する。すると、上記数式１に基づき容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた電圧が、加速度が印加されていないときの出力Ｖ０にバイアスとして加わった形で出力Ｖ０（例えば０〜５Ｖ）として出力される。この出力Ｖ０は、この後、増幅回路やローパスフィルタ等を備えた信号処理回路（図示せず）にて信号処理され、加速度検出信号として検出される。

次に、自己診断時の作動について、図９に示す信号波形図を参照して説明する。信号印加手段としての上記制御回路により、図９に示す様に、一定振幅Ｖ（図示例では振幅０〜５Ｖ）の矩形波信号である搬送波Ｐ１及びＰ２が入力される。ここで、期間φ３（例えば１００μｓ）において、搬送波Ｐ１と搬送波Ｐ２とは、互いに電圧レベルが反転した一定電圧信号（例えば搬送波Ｐ１が０Ｖ、搬送波Ｐ２が５Ｖ）となっている。

また、この期間φ３では、上記の各搬送波Ｐ１及びＰ２が各固定電極３１、４１へ印加されているとき、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１は開、スイッチ２２２は閉になっている。そのため、演算増幅器２１１の非反転入力端子へ、Ｖ／２とは異なるＶ１（例えば３Ｖ）の電圧が印加され、可動電極２３には、この電圧Ｖ１が可動電極信号として印加されている。

可動電極２３に電圧Ｖ１を加えた場合、上記通常動作時における静電気力の釣り合いが崩れ、可動電極２３は、両固定電極３１、４１のうち可動電極２３との間の電位差が大きい方の固定電極へ引き寄せられる。図９に示す例では、第１の固定電極３１の方へ引き寄せられるように、検出用バネ部２２がたわみ、それと一体的に可動電極２３が擬似的に変位する。

このように、期間φ３は、可動電極２３に擬似的な加速度を発生させる期間である。なお、期間φ３においては、Ｃ−Ｖ変換回路２２０のスイッチ２１３は閉であるため、コンデンサ２１２がリセット状態にある。

次に、期間φ４（例えば１０μｓ）は、上記図８に示した期間φ１と同様の信号波形を、可動電極２３と固定電極３１、４１との間に印加することにより、直前の期間φ３にて発生した擬似的な加速度（物理量）を検出する期間である。

つまり、Ｃ−Ｖ変換回路２２０のスイッチ２１３を開とし、コンデンサ２１２を加速度検出可能な状態と同じにし、上記通常動作時と同様の搬送波Ｐ１及びＰ２を印加する。また、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１を閉、スイッチ２２２を開として可動電極２３にＶ／２（例えば２．５Ｖ）の一定電圧を駆動電極信号として印加する。

すると、この期間φ４にて、例えば第１の固定電極３１の方へ引き寄せられていた可動電極２３が元の位置に戻ろうとするため、この容量変化に応じてＣ−Ｖ変換回路２２０のコンデンサ２１２に電荷が発生し、期間φ３にて発生した擬似的な加速度を検出することができる。

このように、期間（φ３＋φ４）を１周期とした自己診断信号（上記搬送波及び可動電極信号）を可動電極２３と固定電極３１、４１との間に印加することにより、自己診断が可能となっている。

ここで、本実施形態では、さらに自己診断時には、上記図６に示したように、固定電極変位手段６０によって、加速度を検出するときよりも可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積を増加させた状態とする。そして、この状態で上記した擬似的な加速度の検出を行うのである。

具体的には、自己診断を行う期間である上記期間（φ３＋φ４）において、静電引力発生回路６２から静電引力発生用電極６１に電圧を印加しつつ、上記同様に自己診断の制御を行うようにする。また、上記期間（φ３＋φ４）以外の期間では、当該電圧の印加を停止するようにする。当該電圧のオン・オフの切り替えは、一般的なスイッチング回路などにより容易に行える。

このように本実施形態によれば、自己診断を行うときには、加速度検出時よりも可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積を増加させるので、当該両電極２３、３１、４１間の容量も大きくすることができる。その結果、加速度検出時よりも検出感度の向上が図れる。

そのため、検出用バネ部２２の剛性が高くなって、擬似的な加速度を発生させるときに可動電極２３の変位量が小さくなっても、自己診断の感度を確保することができ、適切な自己診断が可能となる。

また、本実施形態では、可動電極２３は直接的には錘部２１に支持され、固定電極３１、４１は直接的には固定電極用バネ部３２、４２に支持されている。そして、これら可動及び固定の両電極２３、３１、４１は、自身の支持部から相手側の支持部へ向かって突出する幅が一定のストレートな柱状をなし、互いの側面が対向して検出間隔５０を構成している。

この場合、上記図１では、対向する可動及び固定電極２３、３１、４１の組が、錘部２１の上下両側にそれぞれ１組設けられたものであったが、錘部２１の上側で複数組設けられていてもよい。そのような場合、このような柱状の電極が複数個かみ合った櫛歯状の電極構成とされ、そのときも、同様に固定電極変位手段を設ければ、上記同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、上述したように、固定電極用バネ部３２、４２を、平行に配置された２本の梁３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂがその両端で連結された細長の枠形状をなし、当該各梁の長手方向と直交するｙ軸方向に弾性的に変位するバネ機能を有するものとしている。そのため、センサ１００における固定電極用バネ部３２、４２の占有スペースを極力小さくすることができ、体格の小型化の点で有利である。

また、このような２本の梁よりなる固定電極用バネ部３２、４２に対して、本実施形態の固定電極変位手段６０は、第２の梁３２ｂ、４２ｂに離間して対向配置された静電引力発生用電極６１を備え、これに電圧を印加することにより第２の梁３２ｂ、４２ｂに静電引力を作用させるという好適な構成を実現している。

上記２本の梁よりなる固定電極用バネ部３２、４２においては、長く延びる第２の梁３２ｂ、４２ｂは静電引力を作用させる部位としては適所である。そこで、上記例では、静電引力発生用電極６１を上記した平面長方形をなすものとし、その長辺部分を第２の梁３２ｂ、４２ｂに対向させ、短辺部分を固定電極３１、４１に対向させることで、第２の梁３２ｂ、４２ｂに作用する静電引力がより大きくなるようにしている。

なお、本実施形態では、自己診断時に、電極に対して、その共振周波数における加振を複数回行うことで、検出間隔５０に挟まっている異物の除去を行うことも可能である。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサの要部の概略平面構成を示す図であり、本センサにおける第２の固定部４０および固定電極変位手段６０の模式的な構成を示している。なお、第１の固定部３０についても図１０と同様である。

また、図１１は、本センサにおける固定電極変位手段６０の作動を説明するための概略平面図であり、（ａ）はセンサの全体を概略的に示し、（ｂ）は第２の固定部４０を拡大して示している。

なお、図１１（ａ）では、検出用バネ部２２がｘ軸方向に沿って図中の左方向に変位している状態を示し、また、図１１では、固定電極３１、４１及び固定電極用バネ部３２、４２は、静電引力の印加前の状態を破線で示し、印加後の状態を実線で示している。また、図１１（ｂ）では、第２の固定部４０について示してあるが、第１の固定部３０についても、図１１（ｂ）と同様である。

本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、可動電極２３および固定電極３１、４１の形状が相違するものであり、この相違点を中心に述べることとする。

図１０、図１１に示されるように、本実施形態においても、錘部２１は、可動電極２３と一体に形成され、可動電極２３とともにｘ軸方向に変位する。また、図１１（ａ）では省略しているが、上記図１と同様に、本実施形態のセンサにおいても、錘部２１と離れて対向するように、固定電極支持部としてのアンカー部３０ａ、４０ａが備えられており、当該アンカー部３０ａ、４０ａは、固定電極用バネ部３２、４２を上記第１シリコン基板１１に支持している。

そして、図１０、図１１において、ｘ軸方向は、可動電極２３の変位方向として、ｙ軸方向は、ｘ軸と直交する方向であって固定電極３１、４１が固定電極用バネ部３２、４２によって変位する方向として、ｚ軸方向は、ｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向として、それぞれ示されている。

ここで、本実施形態では、可動電極２３は、錘部２１から固定部のアンカー部３０ａ、４０ａ側に突出しｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであるが、ｘ軸およびｙ軸を含む上記ｘｙ平面に沿った可動電極２３の平面形状は、錘部２１側の根元部から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とされている。

また、固定電極３１、４１は、固定電極用バネ部３２、４２から錘部２１側に突出しｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであるが、上記ｘｙ平面に沿った固定電極３１、４１の平面形状は、固定電極用バネ部３２、４２側の根元部から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状とされている。

そして、可動電極２３および固定電極３１、４１においてｙ軸方向に延びる側面同士が検出間隔５０を介して対向しており、これら側面同士の間に加速度検出のための容量が形成されているが、本実施形態では、これら側面同士はｙ軸に対して傾斜した配置とされつつ、互いに平行な関係にある。

そのため、本実施形態においても、自己診断を行うときには、固定電極変位手段６０からの静電引力の印加によって、固定電極３１、４１をｙ軸方向に沿って錘部２１に近づく方向に変位させ、加速度検出時よりも可動電極２３と固定電極３１、４１との対向面積を増加させるので、当該両電極２３、３１、４１間の容量を大きくすることができる。

また、本実施形態では、可動電極２３およびこれに対向する固定電極３１、４１を、幅が一定のストレートな柱状ではなく、ともに根元部側から突出先端部側に行くにつれて先窄まりとなる楔形状としている。

そのため、静電引力印加前の状態よりも静電引力印加後の状態の方が、可動電極２３と固定電極３１、４１とのｘ軸方向に沿った距離が小さくなる。つまり、検出間隔５０が縮まる。その結果、当該両電極間の容量を大きくすることができ、自己診断の検出感度の向上が図れる。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態に示した例では、通常動作時と自己診断時とで、可動電極２３に印加する電圧を変えて可動電極２３を擬似的に変位させているが、固定電極３１、４１に印加する搬送波Ｐ１、Ｐ２において電圧を変えることにより、可動電極２３を擬似的に変位させ、自己診断を行うようにしてもよい。

また、固定電極用バネ部３２、４２としては、上記同様、可動電極２３の変位方向であるｘ軸方向には弾性的に変位しないがｘ軸方向とは直交するｙ軸方向には弾性的に変位可能なバネ機能を有するものであればよく、上記図に示されるような梁形状以外にも、どのような形状でもかまわない。

また、本発明は上記半導体加速度センサに適用するものに限らず、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。

１１ 支持基板としての第1シリコン基板
２１ 錘部
２２ 検出用バネ部
２３ 可動電極
３０ａ 固定電極支持部としての第１の固定部のアンカー部
３１ 第１の固定電極
３２ 第１の固定部の固定電極用バネ部
３２ａ 第１の固定部の固定電極用バネ部における第1の梁
３２ｂ 第１の固定部の固定電極用バネ部における第２の梁
３２ｃ 第１の固定部の固定電極用バネ部における連結部
４０ａ 固定電極支持部としての第２の固定部のアンカー部
４１ 第２の固定電極
４２ 第２の固定部の固定電極用バネ部
４２ａ 第２の固定部の固定電極用バネ部における第1の梁
４２ｂ 第２の固定部の固定電極用バネ部における第２の梁
４２ｃ 第２の固定部の固定電極用バネ部における連結部
６０ 固定電極変位手段
６１ 静電引力発生用電極
２１０ Ｃ−Ｖ変換回路
２２０ 信号印加手段

Claims (5)

1. 支持基板（１１）と、
   前記支持基板（１１）に支持され、物理量の印加に応じて所定方向（ｘ）へ変位するバネ機能を有する検出用バネ部（２２）と、
   前記検出用バネ部（２２）に一体に形成され前記検出用バネ部（２２）の弾性的な変位によって前記所定方向（ｘ）に変位可能な可動電極（２３）と、
   前記支持基板（１１）に支持され、前記可動電極（２３）に対向して配置された固定電極（３１、４１）と、
   周期的に変化する信号であって前記物理量を検出するための検出信号と周期的に変化する信号であって自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて、前記可動電極（２３）と前記固定電極（３１、４１）との間に印加する信号印加手段（２２０）と、
   前記可動電極（２３）と前記固定電極（３１、４１）とからなる容量の変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１０）とを備え、
   前記検出信号の印加中に発生する前記容量の変化に応じて前記物理量を検出し、
   前記自己診断信号の印加によって前記検出用バネ部（２２）を弾性的に変位させることにより前記可動電極（２３）に疑似的な物理量を発生させるようになっている容量式物理量検出装置において、
   前記固定電極（３１、４１）は、前記可動電極（２３）の変位方向である前記所定方向（ｘ）には弾性的に変位しないが前記所定方向（ｘ）とは直交する方向（ｙ）には弾性的に変位可能な固定電極用バネ部（３２、４２）を介して、前記支持基板（１１）に支持されており、
   静電引力によって前記固定電極用バネ部（３２、４２）を弾性的に変位させることにより、前記所定方向（ｘ）とは直交する方向（ｙ）にて前記可動電極（２３）と前記固定電極（３１、４１）との対向面積が増加する方向に、前記固定電極（３１、４１）を変位させる固定電極変位手段（６０）が備えられており、
   前記固定電極変位手段（６０）によって、前記物理量を検出するときよりも前記可動電極（２３）と前記固定電極（３１、４１）との対向面積を増加させた状態で前記自己診断を行うようにしたことを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. 前記可動電極（２３）と一体に形成され、前記可動電極（２３）とともに前記所定方向（ｘ）に変位する錘部（２１）が備えられており、
   この錘部（２１）と離れて対向するように、前記固定電極用バネ部（３２、４２）を前記支持基板（１１）に支持する固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）が備えられており、
   前記可動電極（２３）の変位方向である前記所定方向をｘ軸方向、前記所定方向とは直交する方向であって前記固定電極（３１、４１）が固定電極用バネ部（３２、４２）によって変位する方向をｙ軸方向とし、これらｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向をｚ軸方向としたとき、
   前記可動電極（２３）は、前記錘部（２１）から前記固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）側に突出し前記ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
   前記固定電極（３１、４１）は、前記固定電極用バネ部（３２、４２）から前記錘部（２１）側に突出し前記ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
   前記可動電極（２３）および前記固定電極（３１、４１）において前記ｙ軸方向に延びる側面同士が対向しており、当該対向する側面同士の間に前記容量が形成されるものであり、
   前記ｘ軸および前記ｙ軸を含む平面であるｘｙ平面に沿った前記可動電極（２３）の平面形状および前記固定電極（３１、４１）の平面形状はともに、根元部と突出先端部との間で幅が一定である細長矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
3. 前記可動電極（２３）と一体に形成され、前記可動電極（２３）とともに前記所定方向（ｘ）に変位する錘部（２１）が備えられており、
   この錘部（２１）と離れて対向するように、前記固定電極用バネ部（３２、４２）を前記支持基板（１１）に支持する固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）が備えられており、
   前記可動電極（２３）の変位方向である前記所定方向をｘ軸方向、前記所定方向とは直交する方向であって前記固定電極（３１、４１）が固定電極用バネ部（３２、４２）によって変位する方向をｙ軸方向とし、これらｘ軸方向およびｙ軸方向と直交する方向をｚ軸方向としたとき、
   前記可動電極（２３）は、前記錘部（２１）から前記固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）側に突出し前記ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
   前記固定電極（３１、４１）は、前記固定電極用バネ部（３２、４２）から前記錘部（２１）側に突出し前記ｙ軸方向に沿って延びる柱状をなすものであり、
   前記可動電極（２３）および前記固定電極（３１、４１）において前記ｙ軸方向に延びる側面同士が対向しており、当該対向する側面同士の間に前記容量が形成されるものであり、
   前記ｘ軸および前記ｙ軸を含む平面であるｘｙ平面に沿った前記可動電極（２３）の平面形状は、前記錘部（２１）側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状であり、
   前記ｘｙ平面に沿った前記固定電極（３１、４１）の平面形状は、前記固定電極用バネ部（３２、４２）側から突出先端部側に行くにつれて細くなっている楔形状であることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
4. 前記固定電極用バネ部（３２、４２）は、前記ｘ軸方向に沿って延び前記固定電極支持部（３０ａ、４０ａ）に連結された第１の梁（３２ａ、４２ａ）と、この第１の梁（３２ａ、４２ａ）とは前記ｙ軸方向にて離れて配置されるとともに前記ｘ軸方向に沿って延び、前記固定電極（３１、４１）に連結された第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）と、これら第１及び第２の梁の前記ｘ軸方向における両端部を連結する連結部（３２ｃ、４２ｃ）とを備える細長の枠形状をなすものであって、
   前記第１の梁（３２ａ、４２ａ）と前記第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）との間隔が変化するように、弾性的に変位するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の容量式物理量検出装置。
5. 前記固定電極変位手段（６０）は、固定電極用バネ部（３２、４２）の前記第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）に対して前記ｙ軸方向にて離間して対向配置された静電引力発生用電極（６１）を備えており、
   この静電引力発生用電極（６１）に電圧を印加することにより、前記第２の梁（３２ｂ、４２ｂ）に前記静電引力を作用させて、前記固定電極用バネ部（３２、４２）を弾性的に変位させるものであることを特徴とする請求項４に記載の容量式物理量検出装置。

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