JP2012247204A - Acceleration sensor and method for measuring acceleration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度センサおよび加速度の測定方法に関し、特に、静電容量型の加速度センサおよび加速度の測定方法に関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor and an acceleration measuring method, and more particularly to a capacitance type acceleration sensor and an acceleration measuring method.
従来、加速度の印加に伴う電極間の静電容量変化により加速度を検出する方式の加速度センサが知られている。この静電容量型の加速度センサにおいて、基板に対して垂直方向の加速度を検出するセンサとして、慣性質量体の変位を回転変位に変換し、回転変位を静電容量変化として検出する加速度センサが、たとえば国際公開第２０１０／０５５７１６号パンフレット（特許文献１）提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an acceleration sensor that detects acceleration based on a change in capacitance between electrodes accompanying application of acceleration. In this capacitance type acceleration sensor, as a sensor that detects acceleration in a direction perpendicular to the substrate, an acceleration sensor that converts the displacement of the inertial mass body into a rotational displacement and detects the rotational displacement as a capacitance change, For example, International Publication No. 2010/055716 pamphlet (Patent Document 1) has been proposed.
この特許文献１には、シリコン基板上に多結晶シリコンにより形成された、慣性質量体、検出フレーム、リンク梁、ねじれ梁、アンカー部、検出電極からなる加速度センサが提案されている。アンカー部と検出フレームとはねじれ梁で、検出フレームと慣性質量体とはリンク梁で、それぞれ接続されている。また、検出電極は検出フレームと対向するように基板上に設けられている。
この加速度センサに、基板に対して垂直方向（面外方向）の加速度が印加されると、慣性質量体が面外方向に変位する。この慣性質量体の面外方向の変位により、リンク梁を介して検出フレームがねじれ梁の軸を中心として回転変位する。つまり慣性質量体の面外方向の変位が検出フレームの回転変位に変換される。この回転変位によって検出フレームと検出電極との間隔が変化するので、検出フレームと検出電極との間に形成される静電容量が変化する。加速度の印加に対して、間隔がそれぞれ増減するように配置した２つの検出電極の静電容量の差分を、容量−電圧変換回路により電圧に変換することで、加速度に応じた電圧が得られ、加速度を検出することができる。 When acceleration in a direction perpendicular to the substrate (out-of-plane direction) is applied to the acceleration sensor, the inertial mass body is displaced in the out-of-plane direction. Due to the displacement of the inertial mass body in the out-of-plane direction, the detection frame is rotationally displaced about the axis of the torsion beam via the link beam. That is, the displacement in the out-of-plane direction of the inertial mass body is converted into the rotational displacement of the detection frame. Since the interval between the detection frame and the detection electrode changes due to this rotational displacement, the capacitance formed between the detection frame and the detection electrode changes. By converting the difference between the capacitances of the two detection electrodes arranged so that the interval is increased or decreased with respect to the application of the acceleration into a voltage by the capacitance-voltage conversion circuit, a voltage corresponding to the acceleration is obtained, Acceleration can be detected.
また検出フレームと基板との間隙の空気層が衝撃を緩和する緩衝材となる効果、いわゆるエアダンピング効果によって、衝撃が加わった際にも検出フレームと基板との接触を起こり難くし、センサ素子構造を壊れ難くすることができる。 In addition, the effect of the air layer in the gap between the detection frame and the substrate acting as a cushioning material to mitigate the impact, the so-called air damping effect, makes it difficult for the detection frame and the substrate to contact even when an impact is applied. Can be hard to break.
しかしながら特許文献１に示す加速度センサでは、上記のエアダンピング効果により、慣性質量体が基板に近づく方向に変位する時に慣性質量体と基板との間隙の空気層にて抗力が生じる。この抗力は慣性質量体が基板に近いほど、また慣性質量体が基板に近づく速度が大きいほど大きくなる。このため、慣性質量体が基板に近づく方向に変位する場合と基板から離れる方向に変位する場合とで、すなわち加速度の印加方向によって感度が異なるという課題が明らかになった。
However, in the acceleration sensor shown in
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、加速度の印加方向による感度の差異を低減可能な加速度センサおよび加速度の測定方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor and an acceleration measurement method capable of reducing the difference in sensitivity depending on the direction in which the acceleration is applied.
本発明の加速度センサは、基板と、慣性質量体と、第１固定電極と、補正部とを備えている。慣性質量体は、基板の厚み方向に変位可能なように基板の表面に支持されている。第１固定電極は、慣性質量体との間で静電容量を構成するように基板の表面上に配置されている。補正部は、慣性質量体と第１固定電極との間の静電容量に基づく慣性質量体の変位の信号と慣性質量体の速度の信号とを検出し、かつ検出された変位の信号と速度の信号とに基づいて慣性質量体の変位を補正するためのものである。 The acceleration sensor of the present invention includes a substrate, an inertial mass body, a first fixed electrode, and a correction unit. The inertial mass body is supported on the surface of the substrate so that it can be displaced in the thickness direction of the substrate. The 1st fixed electrode is arrange | positioned on the surface of a board | substrate so that an electrostatic capacitance may be comprised between inertial mass bodies. The correcting unit detects a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on a capacitance between the inertial mass body and the first fixed electrode, and detects the displacement signal and the velocity detected. The displacement of the inertial mass body is corrected on the basis of the above signal.
本発明の加速度の測定方法は、基板と、その基板の厚み方向に変位可能なように基板の表面に支持された慣性質量体と、慣性質量体との間で静電容量を構成するように基板の表面上に配置された固定電極とを備えた加速度センサを用いた加速度の測定方法であって、以下の工程を備えている。 According to the acceleration measuring method of the present invention, an electrostatic capacity is configured between a substrate, an inertial mass body supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate, and the inertial mass body. An acceleration measurement method using an acceleration sensor including a fixed electrode disposed on a surface of a substrate, and includes the following steps.
慣性質量体と固定電極との間の静電容量が検出される。慣性質量体と固定電極との間の上記静電容量に基づいて慣性質量体の変位の信号と慣性質量体の速度の信号とが出力される。慣性質量体の変位の信号と速度の信号とに基づいて慣性質量体の変位が補正される。 A capacitance between the inertial mass and the fixed electrode is detected. A displacement signal of the inertial mass body and a speed signal of the inertial mass body are output based on the capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode. The displacement of the inertial mass body is corrected based on the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body.
以上説明したように本発明によれば、慣性質量体の変位の信号と速度の信号とを検出することにより、エアダンピング効果に起因する、加速度の印加方向による感度の差異を補正することができる。 As described above, according to the present invention, by detecting the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body, it is possible to correct the difference in sensitivity depending on the acceleration application direction caused by the air damping effect. .
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず本発明の実施の形態１の加速度センサの構成について図１〜図５を用いて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
First, the configuration of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１〜図５を参照して、本実施の形態の加速度センサは、センサ素子構造体１０と、回路部２０（図５）とを有している。このセンサ素子構造体１０は、図１〜図４に示すように、基板１と、絶縁膜９と、アンカー５と、ねじれ梁６（図１）と、検出フレーム７と、リンク梁４（図１）と、慣性質量体３と、第１固定電極１３と、第２固定電極１４と、検出電極８１、８２とを主に有している。回路部２０は、図５に示すように、容量−電圧変換回路２１、２２と、微分回路２３と、補正回路２４と、補正テーブル２５とを主に有している。
1 to 5, the acceleration sensor according to the present embodiment includes a
主に図２を参照して、センサ素子構造体１０の基板１としては、たとえばシリコン基板を用いることができる。この基板１の表面には絶縁膜９が形成されている。この絶縁膜９としては、たとえば窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を用いることができる。
Referring mainly to FIG. 2, as
この絶縁膜９の表面上には、アンカー５が設けられている。このアンカー５は、たとえば２層の導電層５ａ、５ｂからなっている。また基板１の表面上には絶縁膜９を介在して、第１固定電極１３、第２固定電極１４、および検出電極８１、８２が形成されている。
An
主に図３を参照して、基板１の厚み方向から見て（検出軸方向から見て）、導電層５ａを挟むように導電層５ａの両側に検出電極８１、８２が配置されている。また検出電極８１、８２を挟むように検出電極８１、８２の両側に第１固定電極１３、第２固定電極１４が配置されている。第１固定電極１３は検出電極８１に隣り合うように、また第２固定電極１４は検出電極８２に隣り合うように配置されている。検出電極８１、８２と、第１固定電極１３と、第２固定電極１４との各々は、互いに同じ方向（図中上下方向）にたとえば直線状に延びている。
Referring mainly to FIG. 3, when viewed from the thickness direction of substrate 1 (viewed from the detection axis direction),
主に図１を参照して、アンカー５の導電層５ｂには、ねじれ梁６を介在して検出フレーム７が接続されている。ねじれ梁６は、ねじれ梁６の延在方向に沿う仮想のねじれ軸線を中心としてねじれるように構成されている。これにより検出フレーム７は、ねじれ軸線を中心に回転可能にねじれ梁６に支持されており、ねじれ梁６のねじれにより基板１の表面に対して傾斜可能である。検出フレーム７は、基板１の厚み方向から見て、導電層５ｂの外周との間に隙間をあけてその外周を取り囲む枠形状を有している。
Referring mainly to FIG. 1, a
検出フレーム７には、リンク梁４を介在して慣性質量体３が接続されている。リンク梁４は、基板１の厚み方向から見てねじれ軸線からずれた仮想線上を延在するように検出フレーム７に支持されている。慣性質量体３は、基板１に対して基板１の厚み方向に変位可能にリンク梁４に支持されている。この慣性質量体３は、基板１の厚み方向から見て、検出フレーム７の外周との間に隙間をあけてその外周を取り囲む枠形状を有している。
The
アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４および慣性質量体３は、互いに等電位になるように電気的に接続されている。基板１は、絶縁膜９により検出電極８１、８２、第１固定電極１３、および第２固定電極１４とは電気的に絶縁されている。
The
主に図２および図４を参照して、検出フレーム７の下面は検出電極８１の上面および検出電極８２の上面と隙間をあけて対向している。これにより検出フレーム７と検出電極８１との間には静電容量Ｃ２が形成され、検出フレーム７と検出電極８２との間には静電容量Ｃ１が形成されている。この検出フレーム７と検出電極８１、８２とにより、加速度情報を検出するセンサ部が構成されている。
Referring mainly to FIGS. 2 and 4, the lower surface of
また慣性質量体３の下面は第１固定電極１３の上面および第２固定電極１４の上面と隙間をあけて対向している。これにより慣性質量体３と第１固定電極１３との間には静電容量Ｃ３が形成され、慣性質量体３と第２固定電極１４との間には静電容量Ｃ４が形成されている。なお第２固定電極１４は、第２固定電極１４に電圧を印加することにより慣性質量体３との間に静電力を発生させ、慣性質量体３を変位させることができるように構成されている。
The lower surface of the
上記のアンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、導電層５ａ、５ｂ、第１固定電極１３、第２固定電極１４、検出電極８１、８２の各々は、たとえば導電性多結晶シリコン膜よりなっており、この多結晶シリコン膜は低応力で、かつ応力分布がないことが望ましい。
Each of the
主に図５を参照して、回路部２０は、容量−電圧変換回路２１と、補正部２２〜２５とを有している。容量−電圧変換回路２１は、その静電容量Ｃ１とＣ２との差分に応じた電圧を検出電極８１、８２による出力信号（上記センサ部の出力信号）として出力する機能を有している。
Referring mainly to FIG. 5, the
補正部は、慣性質量体３と第１固定電極１３との間の静電容量Ｃ３に基づく慣性質量体３の変位の信号と慣性質量体３の速度の信号とを検出し、かつ検出された上記変位の信号と上記速度の信号とに基づいて検出電極８１、８２による出力信号を補正する機能を有している。上記補正部は、容量−電圧変換回路２２と、微分回路（時間変化算出部）２３と、補正回路２４と、補正テーブル２５とを有している。
The correction unit detects and detects a displacement signal of the inertial
容量−電圧変換回路２２は、静電容量Ｃ３に応じた電圧を慣性質量体３の変位信号として出力する機能を有している。微分回路２３は、容量−電圧変換回路２２に電気的に接続されている。この微分回路２３は、容量−電圧変換回路２２により変換された慣性質量体３の変位信号を微分して、入力信号の時間変化として慣性質量体３の速度信号を出力する機能（つまり静電容量Ｃ３の時間変化を算出する機能）を有している。
The capacitance-
補正回路２４は、容量−電圧変換回路２１、２２と微分回路２３と補正テーブル２５との各々に電気的に接続されている。補正テーブル２５は、慣性質量体３の上記変位の信号と上記速度の信号を入力として、変位と速度とに対応したセンサ出力補正量を出力する機能を有している。これにより補正回路２４は、慣性質量体３の変位信号と速度信号とを補正テーブル２５に入力し、補正テーブル２５から得られたセンサ出力補正量に基づいて検出電極８１、８２による出力信号を補正する機能を有している。このように補正回路２４によって補正された信号がセンサ出力として出力される。
The
上記の容量−電圧変換回路２１は、図６に示すように、センサ素子構造体１０で形成される静電容量Ｃ１、Ｃ２と併せて構成されている。容量−電圧変換回路２１は、一定電圧である電圧Ｖｄが印加されることにより、出力Ｖｏｕｔ１を得るように構成されている。この出力Ｖｏｕｔ１は次の式１で表される。
As shown in FIG. 6, the capacitance-
また上記の容量−電圧変換回路２２は、図７に示すように、センサ素子構造体１０で形成される静電容量Ｃ３と併せて構成されている。容量−電圧変換回路２２は、スイッチトキャパシタ回路として知られる構成により、静電容量Ｃ３に応じた出力Ｖｏｕｔ２を得るように構成されている。
Further, the capacitance-
また上記の微分回路２３は、図８に示すような一般的な微分回路により構成されており、入力Ｖｉｎ３に対して、時間微分信号Ｖｏｕｔ３を出力するように構成されている。
Further, the differentiating
補正テーブル２５は以下のように決定される。
エアダンピングによる抗力は、一般に知られるように、変位ｘに対する運動方程式（以下の式２）の粘性項（Ｃ・∂ｘ／∂ｔ）に相当する。
The correction table 25 is determined as follows.
As is generally known, the drag force due to air damping corresponds to the viscosity term (C · ∂x / 運動 t) of the equation of motion (Formula 2 below) with respect to the displacement x.
さらに極めて間隙が小さい場合には、式２中の粘性項の係数Ｃそのものも間隙ｄおよびその時間変化∂ｄ／∂ｔに依存して変化する。したがって、エアダンピングによる抗力は間隙ｄおよびその時間変化∂ｄ／∂ｔに依存する。一般に、抗力は図９に示すように間隙の時間変化∂ｄ／∂ｔが一定の下では、間隙ｄが小さいほど指数関数的に大きくなり、図１０に示すように間隙ｄが一定の下では、間隙の時間変化∂ｄ／∂ｔが大きいほど大きくなる。抗力は間隙と間隙の時間変化によって一意に定まる。 Further, when the gap is extremely small, the coefficient C itself of the viscosity term in Equation 2 also changes depending on the gap d and its time change ∂d / ∂t. Therefore, the drag due to air damping depends on the gap d and its time variation ∂d / ∂t. In general, the drag increases exponentially as the gap d becomes smaller when the time variation ∂d / 図 t of the gap is constant as shown in FIG. 9, and when the gap d is constant as shown in FIG. The larger the time change ∂d / ∂t of the gap, the larger the gap. The drag is uniquely determined by the gap and the time change of the gap.
したがって、センサ素子構造体１０に加速度が印加された場合、慣性質量体３に働く抗力Ｄは、慣性質量体３が基板１側に近づけば近づくほど、また慣性質量体３の速度が速くなればなるほど大きくなる。この抗力Ｄが大きくなることに応じて慣性質量体３の変位は小さくなるので、結果としてセンサとしての加速度感度は低下する。
Therefore, when the acceleration is applied to the
抗力Ｄは慣性質量体３の変位と速度とによって一意に定まる。このため、あらかじめ慣性質量体３の変位と速度とに応じたセンサ出力を実測などにより決定しておけば、抗力Ｄの影響による出力補正量を定めることができる。すなわち、慣性質量体３の変位と速度とにより定まる抗力Ｄによるセンサ出力の低下分を出力補正量として定めることができる。これにより、慣性質量体３の変位と速度とに応じて一意に定まる出力補正量を出力とする補正テーブル２５を決定することができる。
The drag D is uniquely determined by the displacement and speed of the
また上記の補正回路２４は、上述のとおり上記補正テーブル２５に基づいた出力補正を行う回路である。
The
なお本実施の形態の加速度センサの使用においては、静電容量の電圧への変換や、電極への電圧印加のために、センサ素子構造体１０と回路部２０との電気的な接続を行う必要がある。この電気的な接続として、センサ素子構造体１０のアンカー５、検出電極８１、８２、第１固定電極１３、第２固定電極１４などから基板１上の配線パターンやボンディングワイヤによって回路部２０への接続が可能である。
In using the acceleration sensor of the present embodiment, it is necessary to electrically connect the
次に、本実施の形態における加速度センサのセンサ素子構造体１０の製造方法について図１１〜図１８を用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
本実施の形態のセンサ素子構造体１０は、たとえばシリコンよりなる基板１上に成膜、パターニング、エッチングといったプロセスを繰り返し行う、いわゆる半導体微細加工技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイス製造技術によって作製することができる。
The
図１１を参照して、たとえばシリコンよりなる基板１上に、たとえばＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコンよりなる絶縁膜９が成膜される。
Referring to FIG. 11, an insulating
図１２を参照して、絶縁膜９の上に導電性多結晶シリコン膜１０１が成膜される。この導電性多結晶シリコン膜１０１が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。
Referring to FIG. 12, conductive
図１３を参照して、上記のパターニングにより、導電性多結晶シリコン膜よりなる導電層５ａ、第１固定電極１３、第２固定電極１４、および検出電極８１、８２が形成される。
Referring to FIG. 13,
図１４を参照して、導電層５ａ、第１固定電極１３、第２固定電極１４、および検出電極８１、８２上を覆うように、絶縁膜９上にＰＳＧ（Phosphosilicate Glass）膜１０２が成膜される。
Referring to FIG. 14, a PSG (Phosphosilicate Glass)
図１５を参照して、ＰＳＧ膜１０２が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。これによりＰＳＧ膜１０２に、導電層５ａに達する孔１０２ａが形成される。
Referring to FIG. 15,
図１６を参照して、孔１０２ａを通じて導電層５ａと接するように、ＰＳＧ膜１０２上に導電性多結晶シリコン膜１０３が成膜される。この導電性多結晶シリコン膜１０３が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。
Referring to FIG. 16, conductive
図１７を参照して、上記のパターニングにより、導電性多結晶シリコン膜よりなる導電層５ｂ、ねじれ梁（図示せず）、検出フレーム７、リンク梁（図示せず）、および慣性質量体３が形成される。この後、ＰＳＧ膜１０２がエッチングにより除去されて、図１８に示す本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体１０が作製される。
Referring to FIG. 17, by the above patterning,
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について図１９〜図２２を用いて説明する。
本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体１０において、図１９に示すように図中下向き（正方向）の加速度が印加されると、慣性質量体３が基板１から離れる方向に変位する。この場合、リンク梁４とねじれ梁６とでそれぞれ慣性質量体３とアンカー５とに接続された検出フレーム７は、リンク梁４とねじれ梁６との変形によってねじり軸線のまわりに回転変位する。この回転変位により、検出電極８１、８２と検出フレーム７とのギャップ間隔はそれぞれ変化し、静電容量Ｃ１は増加し、静電容量Ｃ２は減少する。印加された加速度の大きさに対して慣性質量体３の変位は比例して変化し、慣性質量体３の変位に対して（Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２））は比例して変化するため、容量−電圧変換回路２１の出力により、印加された加速度を検出することができる。
Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
In the
一方、図２０に示すように図中上向き（負方向）の加速度が印加されると、慣性質量体３が基板１に近づく方向に変位する。この場合、検出フレーム７は図１９の場合とは反対側に回転変位する。この回転変位により、検出電極８１、８２と検出フレーム７とのギャップ間隔はそれぞれ変化し、静電容量Ｃ１は減少し、静電容量Ｃ２は増加する。印加された加速度の大きさに対して慣性質量体３の変位は比例して変化し、慣性質量体３の変位に対して（Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２））は比例して変化するため、図１９の場合と同様に、容量−電圧変換回路２１の出力により、印加された加速度を検出することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 20, when an upward acceleration (negative direction) is applied, the inertial
しかしながら、図２０に示す場合、エアダンピング効果による抗力が生じる。このため、図２１に示すように負方向に変位が大きくなるほど（すなわち慣性質量体３が基板１に近づくほど、あるいは慣性質量体３の速度が大きくなるほど）、変位の変化は小さくなる。その結果、センサ出力に誤差が生じ、加速度の印加方向による感度の差異が生じる。
However, in the case shown in FIG. 20, drag due to the air damping effect occurs. For this reason, as shown in FIG. 21, as the displacement increases in the negative direction (that is, as the
ここで、加速度の印加により慣性質量体３と第２固定電極１４との間隙が変わることで、静電容量Ｃ３は加速度に対して単調に増減する。この慣性質量体３と第２固定電極１４との間の静電容量Ｃ３が測定される（ステップＳ１：図２２）。そして、静電容量Ｃ３の容量−電圧変換回路２２の出力によって、慣性質量体３と第２固定電極１４との距離、すなわち慣性質量体３の変位を検出することができる。さらに、微分回路２３の出力から慣性質量体３の速度を検出することができる。このように静電容量Ｃ３に基づいて慣性質量体３の変位の信号と速度の信号とが検出される（ステップＳ２：図２２）。
Here, when the gap between the inertial
エアダンピング効果による抗力は、上記の式２を参照して、慣性質量体３の変位と速度とによって一意に定まる。このため、得られた変位の信号と速度の信号とから、補正テーブル２５を用いて、慣性質量体３の変位が補正される（ステップＳ３：図２２）。つまり、得られた変位の信号と速度の信号とから、補正テーブル２５を用いて慣性質量体３の変位の低下分が補正されることによって検出電極８１、８２による出力信号が補正される。これにより、加速度の印加方向による感度の差異がないセンサ出力信号を得ることができる。
The drag due to the air damping effect is uniquely determined by the displacement and speed of the inertial
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
上述したように本実施の形態によれば、ねじれ梁６とリンク梁４との変形により、基板１の厚み方向に印加された加速度に応じた変位を慣性質量体３に与えるとともに、基板１の厚み方向に印加された加速度に応じた回転変位を検出フレーム７に与えることができる。それによって検出フレーム７で加速度情報を出力することができ、かつ慣性質量体３の変位の信号と速度の信号とを検出することができる。これにより、検出フレーム７および検出電極８１、８２で出力された加速度情報を慣性質量体３の変位と速度との信号に基づいて補正することにより、エアダンピング効果に起因する、加速度の印加方向による感度の差異を補正することができる。
Next, the effect of this Embodiment is demonstrated.
As described above, according to the present embodiment, the deformation of the
またセンサ出力の補正の有無や、加速度の印加方向によらず、本実施の形態のセンサ素子構造体１０は、エアダンピング効果による抗力を受ける。このため、衝撃が加わった際にも、検出フレーム７と基板１との接触が起こり難く、センサ素子構造体１０が壊れ難いという効果も得られる。
In addition, the
また、第２固定電極１４に電圧を印加することにより慣性質量体３との間に静電力を発生させ、慣性質量体３を変位させることができる。これにより、慣性質量体３と第２固定電極１４との間に静電力を発生させることによって、加速度の印加によらず慣性質量体３を変位させることができ、構造物が破壊されているか否かを自己診断することができる。
Moreover, an electrostatic force can be generated between the inertial
本実施の形態においては図３に示すように、基板１の厚み方向から見て、第１固定電極１３と第２固定電極１４との各々がアンカー５（導電層５ａ）の一方側のみに配置（非対称に配置）された場合について説明した。しかし、図２３に示すように、基板１の厚み方向から見て、第１固定電極１３と第２固定電極１４との各々がアンカー５（導電層５ａ）を取り囲むことにより、アンカー５（導電層５ａ）を通る仮想線Ａ−Ａに対して線対称に構成されていてもよい。第１固定電極１３は慣性質量体３の変位を検出するために慣性質量体３との間に静電容量Ｃ３を形成すればよく、第１固定電極１３の位置や配置は特に制限されない。また、第２固定電極１４は慣性質量体３との間に静電力を発生させられればよく、第２固定電極１４の位置や配置も特に制限されない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, each of the first fixed
なお図２３においては第１固定電極１３が内周側で、第２固定電極１４が外周側の場合について示したが、第１固定電極１３が外周側で、第２固定電極１４が内周側に位置していてもよい。
FIG. 23 shows the case where the first fixed
また本実施の形態においては、第１固定電極１３と第２固定電極１４とがそれぞれ個別に設けられているが、構造物が破壊されているか否かの自己診断時には必ずしもセンサ出力の補正は必要ではない。一方、加速度を検出する際には自己診断機能は必要ではない。このため図２４に示すように、慣性質量体３と対向する電極として１つの電極（第１固定電極）のみを設けて、外部からスイッチ（切り替えスイッチ）ＳＷ１、ＳＷ２などで切り替えることによって、容量の検出と電圧印加による静電力の発生との２つの機能が切り替えられてもよい。
Further, in the present embodiment, the first fixed
また本実施の形態においては、図１に示すように、基板１の厚み方向から見て、１つの慣性質量体３が１つの検出フレーム７を囲んでいるが、図２５および図２６に示すように１つの慣性質量体３が２つの検出フレーム７を囲んでいてもよい。この構成においては、基板１の厚み方向から見て、図中左側の検出フレーム７では仮想線は仮想のねじれ軸線の図中左側に位置しているのに対して、図中右側の検出フレーム７では仮想線は仮想のねじれ軸線の図中右側に位置している。このように図中左側と右側との各検出フレーム７、ねじれ梁６、リンク梁４および慣性質量体３は、２つの検出フレーム７の間を通る仮想線Ｂ−Ｂに対して線対称に構成されている。なお図２６に示すように図中左側の検出フレーム７には検出電極８１、８２が対向しており、図中右側の検出フレーム７には検出電極８３、８４が対向している。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, one
このように線対称の構成においては、慣性質量体３が基板１の厚み方向に変位する場合には２つの検出フレーム７の各々が互いに逆向きに回転変位する。しかし、慣性質量体３が傾斜したり、基板１の面内方向に変位する場合には２つの検出フレーム７は互いに同じ向きに回転変位する。そのため、２つの検出フレーム７の各々を互いに逆向きの回転変位にのみ感度が高くなるように、検出電極８１と８４とを互いに電気的に接続して静電容量Ｃ１を構成するとともに、検出電極８２と８３とを互いに電気的に接続して静電容量Ｃ２を構成することで、検出軸方向以外の加速度に対する感度を抑制し、角速度や角加速度の影響を受け難くすることができる。
Thus, in the line-symmetric configuration, when the inertial
また図２７に示す構成のように、容量−電圧変換回路２１、２２以後の電圧信号がアナログ−ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）３１、３２によってアナログ−ディジタル変換されることで、アナログ−ディジタル変換器３１、３２以降の信号処理がディジタル処理とされてもよい。ディジタル処理とすることによって、回路の温度特性の抑制やノイズに対する耐性の向上、製造ばらつきの排除、回路配線の微細化に伴う小型化、低コスト化、さらに補正テーブル２５の更新の容易化などを図ることができるという利点がある。
As shown in FIG. 27, voltage signals after the capacitance-
また図２８に示す構成のように、容量−電圧変換回路２１、２２以後の処理部（回路部２０）がＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として１つの回路とされてもよい。
Further, as in the configuration shown in FIG. 28, the processing units (circuit unit 20) after the capacitance-
（実施の形態２）
次に、本実施の形態の加速度センサの構成について図２９および図３０を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Next, the configuration of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 29 and 30. FIG.
図２９を参照して、本実施の形態の構成は、図５に示す実施の形態１の微分回路２３および補正回路２４に代えて、センサ素子構造体１０内の静電容量Ｃ５を含むＨＰＦ回路（ハイパスフィルタ、高域通過濾波器）と、アンプ５１と、加算器とを有する点において実施の形態１の構成と異なっている。
Referring to FIG. 29, the configuration of this embodiment is an HPF circuit including a capacitance C5 in
静電容量Ｃ５は、図３０に示すように慣性質量体３と、その慣性質量体３に対向するように基板１上に絶縁膜９を介在して設けられた第３固定電極１５との間で構成されている。第３固定電極１５は、検出電極８１、８２および第１固定電極１３と同一の導電層をパターニングすることにより形成されており、たとえば導電性多結晶シリコン層よりなっている。なお図３０においては静電容量Ｃ４を構成するための第２固定電極が図示されていないが、この第２固定電極は図３０に示されない部分に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 30, the capacitance C5 is between the inertial
ＨＰＦ回路は、上記の静電容量Ｃ５と、その静電容量Ｃ５に接続された抵抗Ｒとを有している。このＨＰＦ回路にアンプ５１が接続されている。このアンプ５１と容量−電圧変換回路２１との双方に加算器が接続されている。
The HPF circuit has the above-described capacitance C5 and a resistor R connected to the capacitance C5. An
なお上記以外の本実施の形態の構成は、実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration of the present embodiment other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is not repeated.
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について図２９および図３１〜図３３を用いて説明する。 Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 29 and 31 to 33.
本実施の形態において図２１に示した、変位、速度に対する誤差を補正するためには、図３１に示すような補正値が必要となる。一方、静電容量Ｃ３は、図３２に示すように慣性質量体３が基板１に近づけば近づくほど大きくなる。そのため、図７に示す容量−電圧変換回路２２（スイッチトキャパシタ回路）により、図２９中の「慣性質量体の変位信号」は概ね図３３に示すような特性となる。
In order to correct the error with respect to the displacement and speed shown in FIG. 21 in the present embodiment, correction values as shown in FIG. 31 are required. On the other hand, the capacitance C3 increases as the
一般にＨＰＦ回路においては、図３４に示す入力信号Ｖｉｎ４に対する出力信号Ｖｏｕｔ４の周波数特性は概ね図３５に示すようになる。ＨＰＦ回路の出力信号Ｖｏｕｔ４の周波数特性は、低域側においては周波数が高くなるほど出力が大きくなり、ＨＰＦ回路は微分回路（時間変化算出部）としての特性を持っている。また、ＨＰＦ回路を構成する容量Ｃが大きくなるほど信号通過帯域が低域側に拡大していくため、結果として、同じ周波数Ｆの入力信号に対しては出力信号は大きくなる。 In general, in the HPF circuit, the frequency characteristic of the output signal Vout4 with respect to the input signal Vin4 shown in FIG. 34 is substantially as shown in FIG. The frequency characteristic of the output signal Vout4 of the HPF circuit increases as the frequency increases on the low frequency side, and the HPF circuit has a characteristic as a differentiating circuit (time change calculation unit). Further, as the capacitance C constituting the HPF circuit is increased, the signal passband is expanded toward the low frequency side, and as a result, the output signal is increased for the input signal having the same frequency F.
この図３５に示す特性については、慣性質量体３の速度と出力との大きさに注目すると概ね図３６のように描き直すことができ、さらに慣性質量体３の変位と出力の大きさに注目すると概ね図３７のように書き直すことができる。つまり図３５の特性から慣性質量体の速度および変位に対応する物理量を得ることができる。
The characteristics shown in FIG. 35 can be redrawn generally as shown in FIG. 36 when attention is paid to the speed and output magnitude of the inertial
したがって、「慣性質量体の変位信号」がＨＰＦ回路を通過してアンプ５１を経た後の特性は、図３３の特性と図３７の特性とをかけ合わせることによって得られる、概ね図３８に示すような特性となる。これにより図３１に示す必要な補正値信号の特性を得ることができる。その後、「検出電極による出力信号」と上記補正値信号とを加算器によって減算することによってセンサ出力補正が行われる。なお、一般に特性の傾向が同じでも信号の大きさの調整は必要と考えられるため、この調整のために最終段にアンプ５１が付加されている。
Therefore, the characteristic after the “displacement signal of the inertial mass body” passes through the HPF circuit and passes through the
上記の結果、図２９の構成によれば、実施の形態１での補正回路と同様の効果が得られ、変位の低下分を概ね補正し、加速度の印加方向による感度の差異を低減したセンサ出力信号を得ることができる。 As a result of the above, according to the configuration of FIG. 29, the same effect as that of the correction circuit in the first embodiment can be obtained, and the sensor output in which the decrease in displacement is substantially corrected and the difference in sensitivity depending on the acceleration application direction is reduced. A signal can be obtained.
本実施の形態の加速度センサにおいては、第１固定電極１３および第３固定電極１５の各々は慣性質量体３の変位を検出するために慣性質量体３との間に静電容量を形成すればよく、それらの位置や配置は制限されない。また第２固定電極は慣性質量体３との間に静電力を発生させられればよく、その位置や配置にも制限はない。
In the acceleration sensor according to the present embodiment, each of the first fixed
本実施の形態においては，アンプ５１は補正信号の大きさを一律に調整するために用いられている。しかし、センサ素子構造体１０にて形成する静電容量Ｃ３、Ｃ５、あるいはＨＰＦ回路を構成する抵抗成分Ｒの値を調整することで、図３９に示すようにアンプ５１を用いない構成が採用されてもよい。具体的には第１固定電極１３、第３固定電極１５の面積を増減させることで補正信号の大きさを一律に調整することができる。
In the present embodiment, the
また本実施の形態の加速度センサにおいては、実施の形態１の加速度センサと同様に、第１固定電極１３と第２固定電極１４とが、あるいは第３固定電極１５と第２固定電極１４とが個別に設けられずに１つの電極として設けられ、外部からスイッチなどで切り替えられることによって容量の検出と電圧印加による静電力の発生との２つの機能が切り替えられてもよい。
Further, in the acceleration sensor according to the present embodiment, the first fixed
また本実施の形態の構成は、１つの検出フレーム７が１つの慣性質量体３で取り囲まれた構成であってもよく、また図２５に示すように２以上の複数の検出フレーム７が１つの慣性質量体３で取り囲まれる構成であってもよい。
In addition, the configuration of the present embodiment may be a configuration in which one
上記のねじれ梁６と、検出フレーム７と、リンク梁４と、慣性質量体３とが変位部材を構成している。また上記のねじれ梁６と、検出フレーム７と、リンク梁４とが変位部材に含まれる梁部材を構成していてもよい。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、静電容量型の加速度センサに有利に適用され得る。 The present invention can be advantageously applied to a capacitance type acceleration sensor.
１ 基板、３ 慣性質量体、４ リンク梁、５ アンカー、５ａ，５ｂ 導電層、６ ねじれ梁、７ 検出フレーム、９ 絶縁膜、１０ センサ素子構造体、１３ 第１固定電極（変位検出の電極）、１４ 第２固定電極（自己診断用の電極）、１５ 第３固定電極、２０ 回路部、２１，２２ 容量−電圧変換回路、２３ 微分回路、２４ 補正回路、２５ 補正テーブル、３１，３２ アナログ−ディジタル変換器、５１ アンプ、８１，８２，８３，８４ 検出電極、ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板の厚み方向に変位可能なように前記基板の表面に支持された慣性質量体と、
前記慣性質量体との間で静電容量を構成するように前記基板の前記表面上に配置された第１固定電極と、
前記慣性質量体と前記第１固定電極との間の前記静電容量に基づく前記慣性質量体の変位の信号と前記慣性質量体の速度の信号とを検出し、かつ検出された前記変位の信号と前記速度の信号とに基づいて前記慣性質量体の変位を補正する補正部とを備えた、加速度センサ。 A substrate,
An inertial mass supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate;
A first fixed electrode disposed on the surface of the substrate to form a capacitance with the inertial mass;
Detecting a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on the capacitance between the inertial mass body and the first fixed electrode, and detecting the displacement signal detected And a correction unit that corrects the displacement of the inertial mass body based on the velocity signal.
前記ねじれ軸線を中心に回転可能に前記ねじれ梁に支持された検出フレームと、
前記厚み方向から見て前記ねじれ軸線からずれた仮想線上で前記検出フレームに支持され、かつ前記基板に対して前記厚み方向に変位可能なように前記慣性質量体を支持するリンク梁とをさらに備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。 A torsion beam supported by the substrate and twisted about a virtual torsion axis; and
A detection frame supported by the torsion beam so as to be rotatable about the torsion axis;
A link beam supported by the detection frame on an imaginary line deviated from the torsion axis when viewed from the thickness direction and supporting the inertial mass body so as to be displaceable in the thickness direction with respect to the substrate. The acceleration sensor according to claim 1.
前記慣性質量体と前記固定電極との間の静電容量を検出する工程と、
前記慣性質量体と前記固定電極との間の前記静電容量に基づいて前記慣性質量体の変位の信号と前記慣性質量体の速度の信号とを出力する工程と、
前記慣性質量体の前記変位の信号と前記速度の信号とに基づいて前記慣性質量体の変位を補正する工程とを備えた、加速度の測定方法。 A capacitance is formed between the substrate, an inertial mass supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate, and the inertial mass on the surface of the substrate. A method of measuring acceleration using an acceleration sensor comprising a fixed electrode disposed,
Detecting a capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode;
Outputting a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on the capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode;
And a step of correcting the displacement of the inertial mass body based on the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body.
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|---|---|---|---|---|
| JP2015021786A (en) * | 2013-07-17 | 2015-02-02 | セイコーエプソン株式会社 | Functional element, electronic device, and mobile body |
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-
2011
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