JP4329275B2

JP4329275B2 - Mechanical quantity sensor

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Publication number: JP4329275B2
Application number: JP2001105161A
Authority: JP
Inventors: 峰一酒井; 正紀青山; 祐嗣舩戸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2021-04-03
Also published as: JP2002299640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極とを有し、これら可動及び固定電極の間の容量変化に基づいて、加速度等の力学量を検出するようにした力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の一般的な力学量センサの構成を図６、図７に示す。ここで、図６は平面構成図、図７は図６中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。このものは、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板等の、第１の半導体層１１と第２の半導体層１２とが絶縁膜１３を介して積層された積層基板１０に対して、周知の半導体製造技術を施すことにより製造されたものである。
【０００３】
第２の半導体層１２には溝１４を形成し、第１の半導体層１１及び絶縁膜１３には開口部１３ａを形成することにより、第１の半導体層１１は矩形枠状の基部として構成され、第２の半導体層１２には図に示すような梁構造体が形成されている。
【０００４】
第２の半導体層１２に形成された梁構造体は、基部１１に対して力学量（加速度等）の印加に応じて所定方向（図６中の矢印で示すＹ軸方向）に変位可能なように梁部２２を介して支持された錘部２１０と、この錘部２１０から突出する櫛歯状の可動電極２４０と、この可動電極２４０における個々の櫛歯の側面と離間して対向するように基部１１から突出する櫛歯状の固定電極３１０、３２０とを備えている。
【０００５】
そして、力学量が印加されたとき、梁部２２の弾性力によって錘部２１０が、Ｙ軸方向へ変位し、この変位に伴う可動電極２４０と固定電極３１０、３２０との間の検出間隔４０の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の力学量センサにおいては、可動電極２４０及び固定電極３１０、３２０が櫛歯形状であるため、過大な力学量の印加によって両電極がＹ軸方向へたわみ、可動電極２４０と固定電極３１０、３２０との両電極が必要以上に接近すると、これら両電極の間の静電気力により両電極が付着する、つまり、スティッキングが発生するという問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、櫛歯状の可動及び固定電極を有し、これら可動及び固定電極の間の容量変化に基づいて力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、電極のたわみによるスティッキングを防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の平面形状が長方形である櫛歯状の可動及び固定電極では、上記Ｙ軸方向（錘部の変位方向）への剛性が不十分であるため、電極の平面形状に工夫を施し当該電極の剛性を向上させることにより、電極のたわみを抑制し、スティッキングを防止することに着目して、なされたものである。
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の発明では、基部（１１）と、この基部に対して力学量の印加に応じて所定方向に変位可能なように支持された錘部（２０）と、この錘部から突出する櫛歯状の可動電極（２４）と、この可動電極における個々の櫛歯の側面と離間して対向するように基部から突出する櫛歯状の固定電極（３１、３２）とを備え、力学量が印加されたときの錘部の変位に伴う可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、可動電極及び固定電極の両方における個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状となっていることを特徴としている。
【００１０】
それによれば、可動電極及び固定電極の両方における個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状（以下、テーパ先細形状という）となっているため、従来の平面長方形状に比べて、可動及び固定電極の両方の剛性を向上させることができる。
【００１１】
そのため、過大な力学量が印加されても、可動電極及び固定電極の両方の電極のたわみが抑制される。よって、本発明によれば、電極のたわみによるスティッキングを防止することができる。
【００１３】
また、可動電極（２４）における個々の櫛歯の平面形状を、上記テーパ先細形状としたことにより、上述の効果に加え、従来の平面長方形状の可動電極に比べて可動電極の剛性向上及び軽量化が図れ、結果的に、錘部と可動電極とを含めた可動部の軽量化を図ることができる。このことにより、次のような利点がある。
【００１４】
可動部に対して強制的に信号（自己診断信号）を印加し、可動部を初期位置から擬似的に所定量変位させた後、可動部を初期位置へ戻すことにより、その間の容量変化をモニタし、検出性能を自己診断することが行われる。
【００１５】
このとき、可動電極がたわみやすいと、可動電極自身の振動によって、駆動力が、錘部を変位させる梁部にまで十分に伝達されず減衰してしまう。また、可動部が重いと、上記自己診断信号によって可動部が変位しにくい。そのため、錘部の変位量が正規の変位量よりも少なくなり、可動部の初期位置への戻りによる容量変化も小さくなるので、結果、自己診断における出力が低下してしまう。
【００１６】
その点、請求項１の発明によれば、可動電極の剛性向上が図れるとともに、可動部の軽量化を図ることができるため、上記自己診断の際に、錘部の変位量を容易に正規の変位量に確保することができ、自己診断における出力低下を防止することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、入力ダイナミックレンジを拡大することができるという利点がある。これは、可動及び固定電極の両方をテーパ先細形状とすることで、これら両電極のたわみを抑制することができるためである。
【００１９】
もし、可動及び固定電極のどちらか一方でも、従来の平面長方形状の様な、たわみやすい形状であるとすると、例えば、印加力学量が大きいときに、たわみやすい形状の電極がたわむことにより、可動及び固定電極の間の距離が必要以上に変化する。すると、見かけ上、実際の印加力学量よりも大きな力学量が印加されたかの様に、両電極間の容量が変化する。このことは、センサ出力特性の非直線性につながり、好ましくない。
【００２０】
その点、可動及び固定電極の両方のたわみを抑制するようにすれば、より大きな力学量が印加されても、その印加力学量に応じた容量変化を実現することができる。そのため、センサ出力特性の非直線性を改善することができ、入力ダイナミックレンジの拡大につながる。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明では、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状（テーパ先細形状）は、櫛歯の根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった台形形状であることを特徴としている。
【００２２】
テーパ先細形状を考えた場合、電極の突出先端部が尖った形状も含まれるが、突出先端部を尖らすことは、加工精度の点から困難であるため、突出先端部を、ある程度幅を持たせた台形形状とすれば、加工しやすいという利点がある。
【００２３】
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。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１に半導体加速度センサ（以下、単にセンサという）Ｓ１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。なお、図１及び図２中、「従来技術」の欄にて述べた上記図６及び図７と同一部分には同一符号を付してある。
【００２６】
センサＳ１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Ｓ１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、絶縁膜としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００２７】
第２シリコン基板１２には、トレンチエッチング等によって溝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。
【００２８】
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除去されて矩形状の開口部１３ａを形成している。そして、固定部３０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。
【００２９】
開口部１３ａ上を横断するように配置された可動部２０は、長方形状の錘部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。
【００３０】
また、梁部２２は、２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁部２２は、図１中の矢印Ｙで示す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。
【００３１】
このように、錘部２１は、第１シリコン基板１１に対してＹ軸方向（所定方向Ｙ）へ変位可能に支持されており、加速度の印加に応じて、開口部１３ａ上にてＹ軸方向へ変位するようになっている。
【００３２】
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）の棒状の可動電極２４が、Ｙ軸と略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。
【００３３】
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。このように、錘部２１と一体形成された可動電極２４は、錘部２１とともにＹ軸方向へ変位可能となっている。
【００３４】
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１１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。
【００３５】
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）３１、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。
【００３６】
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対向配置されている。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。
【００３７】
ここにおいて、本実施形態では、図１に示す様に、可動電極２４及び固定電極３１、３２の両方における個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状（以下、テーパ先細形状という）となっている。
【００３８】
本例では、このテーパ先細形状は、両電極２４、３１、３２ともに同じ台形形状としており、例えば、突出長さが２００μｍ、根元部の幅が４μｍ、根元部よりも細くなっている突出先端部の幅が２μｍ程度のものにすることができる。
【００３９】
また、上記検出間隔４０において互いに対向する可動及び固定の両電極２４、３１、３２の側面は、Ｙ軸方向に対して直角に配置されている。ここで、両電極２４、３１、３２の側面は、従来同様に長方形であり（図２参照）、検出間隔４０における対向面積は確保されている。そして、この検出間隔４０の距離は、電極の根元側から先端部側の全体で均一となっており、例えば３μｍ程度にすることができる。
【００４０】
また、上記非検出間隔において互いに対向する可動及び固定の両電極２４、３１、３２の側面は、Ｙ軸方向に対してテーパの分だけ斜めに配置されている。そして、この非検出間隔の距離も、電極の根元側から先端部側の全体で均一となっており、例えば９μｍ程度にすることができる。
【００４１】
また、各固定電極３１、３２の各配線部３１ａ、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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、図２に示す様に、本センサＳ１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。
【００４４】
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、それぞれ形成されている。
【００４５】
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、上記回路手段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。
【００４６】
また、本センサＳ１においては、可動部２０に対して強制的に信号を印加し、可動部２０を初期位置から擬似的に所定量変位させた後、可動部２０を初期位置へ戻すことにより、その間の容量変化をモニタし、検出性能を自己診断するようにしている。
【００４７】
このような本センサＳ１における加速度検出方法および自己診断方法について、具体的に述べる。図３に、本センサＳ１に設けられた回路手段８０の具体的な構成を示す。
【００４８】
回路手段８０は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）９０及びスイッチ回路１００を有する。Ｃ−Ｖ変換回路９０は、可動電極２４と固定電極３１、３２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９１、コンデンサ９２、及びスイッチ９３から構成されている。
【００４９】
演算増幅器９１の反転入力端子は、可動電極パッド２５ａを介して可動電極２４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９２およびスイッチ９３が並列に接続されている。また、演算増幅器９１の非反転入力端子には、スイッチ回路１００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。
【００５０】
スイッチ回路１００は、Ｃ−Ｖ変換回路９０における演算増幅器９１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１０１とスイッチ１０２から構成されている。スイッチ１０１とスイッチ１０２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。
【００５１】
また、回路手段８０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３１ｂ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３２ｂ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３２へ入力する。また、この制御回路は、上記の各スイッチ９３、１０１、１０２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。
【００５２】
まず、加速度検出方法すなわち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４に示す信号波形図を参照して説明する。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４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。
【００５３】
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、３２へ印加されているとき、スイッチ回路１００においてスイッチ１０１は閉、スイッチ１０２は開になっている。それによって、演算増幅器９１の非反転入力端子にＶ／２の電圧が印加され、可動電極２４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。
【００５４】
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２４との電位差、及び、第２の固定電極３２と可動電極２４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２４との間の静電気力、及び、第２の固定電極３２と可動電極２４との間の静電気力は、略等しく釣り合っている。
【００５５】
また、通常動作時では、Ｃ−Ｖ変換回路９０において、スイッチ９３は、図４に示すタイミングで開閉される。このスイッチ９３が閉のとき（期間φ２）、コンデンサ９２がリセットされる。一方、スイッチ９３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９０からの出力電圧Ｖ０は、次の数式１で示される。
【００５６】
【数１】
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ’／Ｃｆ
ここで、Ｖ’は両パッド３１ａ及び３２ａ間、即ち、両固定電極３１及び３２の間の電圧であり、Ｃｆはコンデンサ９２の容量である。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、自己診断時の作動について、図５に示す信号波形図を参照して説明する。上記制御回路により、図５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。
【００５９】
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、３２へ印加されているとき、スイッチ回路１００においてスイッチ１０１は開、スイッチ１０２は閉になっている。そのため、演算増幅器９１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２４には、この電圧Ｖ１が可動電極信号として印加されている。
【００６０】
可動電極２４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２４は、両固定電極３１、３２のうち可動電極２４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５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、梁部２２がたわみ、それと一体的に錘部２１及び可動電極２４が擬似的に変位する。
【００６１】
このように、期間φ３は、可動部２０を擬似的に所望量変位させ、可動電極２４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９０のスイッチ９３は閉であるため、コンデンサ９２がリセット状態にある。
【００６２】
次に、期間φ４（例えば１０μｓ）は、上記図４に示した期間φ１と同様の信号波形を、可動電極２４と固定電極３１、３２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（力学量）を検出する期間である。
【００６３】
つまり、Ｃ−Ｖ変換回路９０のスイッチ９３を開とし、コンデンサ９２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１００においてスイッチ１０１を閉、スイッチ１０２を開として可動電極２４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。
【００６４】
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２４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９０のコンデンサ９２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。
【００６５】
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２４と固定電極３１、３２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。
【００６６】
ところで、本実施形態によれば、可動電極２４及び固定電極３１、３２における個々の櫛歯の平面形状を、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ先細形状としたことを主たる特徴としている。それによれば、従来の平面長方形状である可動及び固定電極（上記図６参照）に比べて、可動及び固定電極２４、３１、３２のＹ軸方向への剛性を向上させることができる。
【００６７】
そのため、過大な加速度が印加されても、可動電極２４及び固定電極３１、３２のたわみが抑制される。よって、本実施形態によれば、電極のたわみによるスティッキングを防止することができる。
【００６８】
なお、電極の平面形状が、根元部側から突出先端部側に向かって連続的に細くなっているテーパ先細形状ではなく、根元部側の方が段部を有して非連続的に突出先端部側よりも幅広になっている形状（非連続的先細形状）であると、当該段部にてたわみやすく、剛性向上の効果は得にくい。本実施形態でいうテーパ先細形状とは、そのような非連続的先細形状を排除するものである。
【００６９】
また、本実施形態によれば、従来の平面形状が長方形である櫛歯状の可動及び固定電極に比べて、電極を軽量化して剛性を向上させることができるため、軽量化された電極の共振周波数を、可動部２０全体の共振周波数よりも大きくすることができ、ノイズの低減を図ることができる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、従来の平面長方形状の可動電極に比べて可動電極２４の剛性向上及び軽量化が図れ、結果的に、錘部２０と可動電極２４とを含めた可動部２０全体の軽量化を図ることができる。このことにより、自己診断時において、次のような利点がある。
【００７１】
自己診断時において、可動電極２４がたわみやすいと、可動電極２４自身の振動によって、駆動力が、錘部２１を変位させる梁部２２にまで十分に伝達されず減衰してしまう。また、可動部２０全体が重いと、上記自己診断信号によって可動部２０が変位しにくい。
【００７２】
そのため、錘部２１の擬似的な変位量が、望みうる正規の変位量よりも少なくなり、可動部の初期位置への戻りによる容量変化も小さくなるので、結果、自己診断における出力が低下してしまう。
【００７３】
その点、本実施形態によれば、可動電極２４の剛性向上が図れるとともに、可動部２０の軽量化を図ることができるため、上記自己診断の際に、錘部２１の変位量を、容易に正規の変位量に確保することができ、自己診断における出力低下を防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、可動電極２４及び固定電極３１、３２の両方における個々の櫛歯の平面形状を、テーパ先細形状としているため、加速度センサとしての入力ダイナミックレンジを拡大することができるという利点がある。これは、可動及び固定電極２４、３１、３２の両電極のたわみが、抑制されるためである。
【００７５】
もし、可動及び固定電極のどちらか一方が、従来の平面長方形状の様な、たわみやすい形状であるとすると、例えば、印加加速度が大きいときに、たわみやすい形状の電極がたわむことにより、検出間隔４０が必要以上に変化する。すると、見かけ上、実際の印加加速度よりも大きな加速度が印加されたかの様に、両電極間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。このことは、センサ出力特性の非直線性につながり、好ましくない。
【００７６】
その点、可動及び固定電極２４、３１、３２の両方のたわみが抑制されれば、より大きな加速度が印加されても、その印加加速度に応じた容量変化を実現することができる。そのため、センサ出力特性の非直線性を改善することができ、入力ダイナミックレンジの拡大につながる。
【００７７】
また、上記のテーパ先細形状を考えた場合、電極の突出先端部が尖った形状を採用しても良い。しかし、本センサＳ１の様に、半導体製造技術を用いて製造するセンサの場合、各電極２４、３１、３２の平面形状は、第２シリコン基板１２にトレンチエッチングを施すことにより画定される。
【００７８】
そのため、エッチングマスクを形成する際の露光精度やパターニング精度、更にはエッチング精度等を考慮すると、突出先端部を尖らすことは、加工精度の点から困難である。そのため、本実施形態では、電極の突出先端部を、ある程度の幅を持たせた台形形状とすることにより、適切に電極の平面形状を加工できるようにしている。
【００７９】
また、本実施形態では、構成上、従来の平面長方形である櫛歯状電極に対し、電極の平面形状をテーパ先細形状とするだけであるので、その製造方法は、従来のセンサと変わることなく、周知の半導体製造技術を適用することができる。
【００８０】
また、本実施形態におけるテーパ先細形状である櫛歯状電極２４、３１、３２の剛性が、従来の平面長方形である櫛歯状電極と同等で良いならば、テーパ先細形状の効果によって、本実施形態の電極を、従来に比べて長くして検出間隔４０における容量値を大きくすることができる。その場合、感度の向上及び可動部２０の振動のＱ値低減が可能となり、センサ特性の向上が図れる。
【００８１】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、可動電極２４及び固定電極３１、３２の両方における個々の櫛歯の平面形状を、テーパ先細形状としているが、個々の櫛歯の平面形状をテーパ先細形状とするのは、可動電極２４のみか、固定電極３１、３２のみでも良い。これらの場合でも、電極のたわみによるスティッキングを防止することができる。
【００８２】
また、本発明は上記半導体加速度センサＳ１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容量式の力学量センサにも同様に適用することができる。
【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に示すセンサにおける回路手段の具体的な構成図である。
【図４】図３に示す回路手段の通常動作時での作動説明に供する信号波形図である。
【図５】図３に示す回路手段の自己診断時での作動説明に供する信号波形図である。
【図６】従来の一般的な力学量センサの概略平面図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ線に沿った模式的断面図である。
【符号の説明】
１１…第１シリコン基板（基部）、２４…可動電極、３１…第１の固定電極、３２…第２の固定電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mechanical quantity sensor having a comb-like movable electrode and a comb-like fixed electrode and detecting a mechanical quantity such as acceleration based on a change in capacitance between the movable and fixed electrodes. About.
[0002]
[Prior art]
The configuration of a general mechanical quantity sensor of this type is shown in FIGS. Here, FIG. 6 is a plan view, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. This is a well-known semiconductor manufacturing technique for a laminated substrate 10 in which a first semiconductor layer 11 and a second semiconductor layer 12 are laminated via an insulating film 13 such as an SOI (silicon on insulator) substrate. It is manufactured by giving.
[0003]
By forming a groove 14 in the second semiconductor layer 12 and forming an opening 13a in the first semiconductor layer 11 and the insulating film 13, the first semiconductor layer 11 is configured as a rectangular frame base. The second semiconductor layer 12 has a beam structure as shown in the figure.
[0004]
The beam structure formed in the second semiconductor layer 12 can be displaced in a predetermined direction (Y-axis direction indicated by an arrow in FIG. 6) in response to application of a mechanical quantity (acceleration or the like) to the base 11. A weight part 210 supported by the beam part 22, a comb-like movable electrode 240 protruding from the weight part 210, and a side face of each comb tooth in the movable electrode 240 so as to be spaced apart from each other. Comb-like fixed electrodes 310 and 320 protruding from the base 11 are provided.
[0005]
When the mechanical quantity is applied, the weight part 210 is displaced in the Y-axis direction by the elastic force of the beam part 22, and the detection interval 40 between the movable electrode 240 and the fixed electrodes 310 and 320 due to this displacement is detected. The applied dynamic quantity is detected based on the capacitance change.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional mechanical quantity sensor, since the movable electrode 240 and the fixed electrodes 310 and 320 are comb-shaped, both electrodes bend in the Y-axis direction due to application of an excessive mechanical quantity, and are fixed to the movable electrode 240. When both the electrodes 310 and 320 approach more than necessary, there arises a problem that both electrodes adhere due to the electrostatic force between these electrodes, that is, sticking occurs.
[0007]
Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a mechanical quantity sensor having comb-like movable and fixed electrodes and detecting a mechanical quantity based on a change in capacitance between the movable and fixed electrodes. The purpose is to prevent sticking due to deflection.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, since the conventional comb-shaped movable and fixed electrode having a rectangular planar shape has insufficient rigidity in the Y-axis direction (displacement direction of the weight portion), the present invention is devised for the planar shape of the electrode. This is made by paying attention to suppressing the deflection of the electrode and preventing the sticking by improving the rigidity of the electrode.
[0009]
That is, in the first aspect of the invention, the base (11), the weight (20) supported so as to be displaceable in a predetermined direction in response to the application of a mechanical quantity to the base, and the weight Comb-shaped movable electrodes (24) projecting from the base, and comb-shaped fixed electrodes (31, 32) projecting from the base so as to face the side surfaces of the individual comb teeth in the movable electrode. In the mechanical quantity sensor that detects the applied mechanical quantity based on the capacitance change between the movable electrode and the fixed electrode accompanying the displacement of the weight when the mechanical quantity is applied, Both The planar shape of each of the comb teeth is a taper-shaped shape from the root side toward the protruding tip side.
[0010]
According to it, the movable electrode and the fixed electrode Both Since the planar shape of each comb tooth in the taper shape is tapered from the root side toward the protruding tip side (hereinafter referred to as a tapered taper shape), compared to the conventional planar rectangular shape Of movable and fixed electrodes Both The rigidity of can be improved.
[0011]
Therefore, even if an excessive mechanical quantity is applied, the movable electrode and the fixed electrode Both The electrode deflection is suppressed. Therefore, according to the present invention, sticking due to electrode deflection can be prevented.
[0013]
Further, the planar shape of each comb tooth in the movable electrode (24) is the tapered shape described above. In addition to the above effect, the rigidity and weight of the movable electrode can be improved and the weight of the movable part including the weight part and the movable electrode can be reduced as compared with the conventional planar rectangular movable electrode. . This has the following advantages.
[0014]
Forcibly applying a signal (self-diagnostic signal) to the movable part, displacing the movable part by a predetermined amount from the initial position, and then returning the movable part to the initial position, thereby monitoring the change in capacity during that time. Then, self-diagnosis of detection performance is performed.
[0015]
At this time, if the movable electrode is easily bent, the driving force is not sufficiently transmitted to the beam portion that displaces the weight portion due to the vibration of the movable electrode itself and is attenuated. If the movable part is heavy, the movable part is not easily displaced by the self-diagnosis signal. For this reason, the displacement amount of the weight portion is smaller than the normal displacement amount, and the capacitance change due to the return of the movable portion to the initial position is also reduced. As a result, the output in the self-diagnosis is lowered.
[0016]
That point, Claim 1 According to the invention, the rigidity of the movable electrode can be improved and the weight of the movable part can be reduced. Therefore, the displacement amount of the weight part can be easily secured to the regular displacement amount during the self-diagnosis. It is possible to prevent a decrease in output in self-diagnosis.
[0018]
Moreover, according to the present invention, There is an advantage that the input dynamic range can be expanded. This is because the deflection of both the movable and fixed electrodes can be suppressed by forming the tapered shape.
[0019]
If either one of the movable and fixed electrodes has a flexible shape, such as a conventional flat rectangular shape, for example, when the applied mechanical quantity is large, the flexible electrode is bent and the movable electrode is movable. And the distance between the fixed electrodes changes more than necessary. Then, apparently, the capacitance between the two electrodes changes as if a mechanical quantity larger than the actual applied mechanical quantity was applied. This leads to non-linearity of sensor output characteristics, which is not preferable.
[0020]
In this respect, if the deflection of both the movable and fixed electrodes is suppressed, even if a larger mechanical quantity is applied, it is possible to realize a change in capacitance according to the applied mechanical quantity. Therefore, the non-linearity of the sensor output characteristic can be improved, leading to an expansion of the input dynamic range.
[0021]
Also, Claim 2 In the invention described in the above, the shape (tapered taper shape) that is tapered from the root portion side toward the protruding tip portion side is tapered from the root portion side of the comb tooth toward the protruding tip portion side. It is characterized by a trapezoidal shape.
[0022]
When considering the taper taper shape, the shape of the protruding tip of the electrode is also included, but it is difficult to sharpen the protruding tip from the viewpoint of processing accuracy, so the protruding tip has a certain width. The trapezoidal trapezoidal shape has the advantage of being easy to process.
[0023]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. This embodiment relates to a differential capacitance type semiconductor acceleration sensor in which the mechanical quantity sensor of the present invention can be applied to, for example, an automotive acceleration sensor or a gyro sensor for performing operation control of an airbag, ABS, VSC or the like. It will be described as applied.
[0025]
FIG. 1 shows a schematic plane configuration of a semiconductor acceleration sensor (hereinafter simply referred to as a sensor) S1, and FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure along the line AA in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the same parts as those in FIG. 6 and FIG.
[0026]
The sensor S1 is formed by subjecting a semiconductor substrate to micromachining using a well-known semiconductor manufacturing technique. As shown in FIG. 2, the semiconductor substrate constituting the sensor S1 includes a first silicon substrate (base portion in the present invention) 11 as a first semiconductor layer and a second silicon substrate 12 as a second semiconductor layer. A rectangular SOI substrate 10 having an oxide film 13 as an insulating film therebetween.
[0027]
By forming the groove 14 by trench etching or the like on the second silicon substrate 12, a beam structure including the movable portion 20 and the fixed portion 30 partitioned through the movable portion 20 and the groove 14 is formed. ing.
[0028]
Also, portions of the oxide film 13 and the first silicon substrate 11 corresponding to the formation regions of the beam structures 20 and 30 are removed by sacrificial layer etching or the like to form rectangular openings 13a. The fixing portion 30 is supported by the first silicon substrate 11 via the oxide film 13 at the opening edge of the opening 13a.
[0029]
The movable part 20 arranged so as to cross the opening 13a has a configuration in which both ends of a rectangular weight part 21 are integrally connected to anchor parts 23a and 23b via a beam part 22. These anchor portions 23 a and 23 b are fixed to the opening edge portion of the opening portion 13 a in the oxide film 13 and supported on the first silicon substrate 11. Thereby, the weight part 21 and the beam part 22 are in the state which faced the opening part 13a.
[0030]
The beam portion 22 has a rectangular frame shape in which two beams are connected at both ends thereof, and has a spring function of being displaced in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam. Specifically, the beam portion 22 displaces the weight portion 21 in the Y-axis direction when receiving acceleration including a component in the Y-axis direction indicated by an arrow Y in FIG. The original state is restored.
[0031]
Thus, the weight portion 21 is supported so as to be displaceable in the Y-axis direction (predetermined direction Y) with respect to the first silicon substrate 11, and the Y-axis direction is formed on the opening portion 13a in accordance with the application of acceleration. To be displaced.
[0032]
A plurality of (six in the illustrated example) rod-like shapes are provided on the side surfaces (left and right side surfaces in FIG. 1) on both sides of the weight portion 21 with the axis along the Y-axis direction in the weight portion 21 as the center. The movable electrode 24 protrudes in a direction substantially orthogonal to the Y axis and is formed in a comb shape.
[0033]
Each movable electrode 24 is formed in a beam shape having a rectangular cross section and faces the opening 13a. Thus, the movable electrode 24 formed integrally with the weight portion 21 can be displaced in the Y-axis direction together with the weight portion 21.
[0034]
The fixed portion 30 includes a plurality of rod-shaped fixed electrodes 31 and 32 extending from the first silicon substrate (base portion) 11 so as to face the individual movable electrodes 24. The fixed electrodes 31 and 32 are cantilevered by the first silicon substrate 11 and are arranged to face each other so as to mesh with the gaps of the comb teeth in the pair of left and right comb-like movable electrodes 24 of the weight portion 21. .
[0035]
The pair of left and right fixed electrodes 31 and 32 are composed of a first fixed electrode 31 located on the left side in FIG. 1 and a second fixed electrode 32 located on the right side. The fixed electrodes 32 are electrically independent from each other. The individual fixed electrodes (6 on the left and right in the illustrated example) 31 and 32 are formed in a beam shape having a rectangular cross section, and are supported in a cantilever manner on the wiring portions 31a and 32a. It is in a state of facing.
[0036]
The side surfaces of the individual electrodes in the fixed electrodes 31 and 32 are arranged to face the side surfaces of the individual movable electrodes 24 with a predetermined distance. Here, the narrower one of the opposing intervals of the movable and fixed electrodes 24, 31, 32 is a detection interval 40 used for detecting a change in capacitance when detecting acceleration, and is opposite to the detection interval 40. The wider interval is a non-detection interval that is not used for detecting a change in capacitance during acceleration detection.
[0037]
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the planar shape of each comb tooth in both the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 is tapered from the root portion side to the protruding tip portion side. It has a narrowed shape (hereinafter referred to as a taper tapered shape).
[0038]
In this example, the tapered shape of the taper is the same trapezoidal shape for both the electrodes 24, 31, and 32. For example, the protruding tip has a protruding length of 200 μm, a root width of 4 μm, and is narrower than the root. Can have a width of about 2 μm.
[0039]
Further, the side surfaces of both the movable and fixed electrodes 24, 31, 32 facing each other in the detection interval 40 are arranged perpendicular to the Y-axis direction. Here, the side surfaces of the electrodes 24, 31, and 32 are rectangular as in the conventional case (see FIG. 2), and the facing area at the detection interval 40 is secured. The distance of the detection interval 40 is uniform from the base side to the tip side of the electrode, and can be about 3 μm, for example.
[0040]
Further, the side surfaces of both the movable and fixed electrodes 24, 31, and 32 that face each other at the non-detection interval are disposed obliquely by a taper with respect to the Y-axis direction. The distance of the non-detection interval is also uniform from the base side to the tip end side of the electrode, and can be, for example, about 9 μm.
[0041]
Further, fixed electrode pads 31b and 32b for wire bonding are formed at predetermined positions on the wiring portions 31a and 32a of the fixed electrodes 31 and 32, respectively. A movable electrode wiring portion 25 is formed in a state of being integrally connected to one anchor portion 23b, and a movable electrode pad 25a for wire bonding is formed at a predetermined position on the wiring portion 25. ing. Each said electrode pad 25a, 31b, 32b is formed, for example with aluminum.
[0042]
Furthermore, a plurality of rectangular through holes 50 penetrating from the opening 13a side to the opposite side are formed in the weight portion 21, and a so-called ramen structure shape in which a plurality of rectangular frame-like portions are combined by the through holes 50 is formed. Is formed. Thereby, the weight reduction of the movable part 20 and the improvement of torsional strength are made | formed.
[0043]
In addition, as shown in FIG. 2, the sensor S <b> 1 is bonded and fixed to the package 70 via an adhesive 60 on the back surface (surface opposite to the oxide film 13) side of the first silicon substrate 11. The package 70 accommodates circuit means 80 described later. And this circuit means 80 and each said electrode pad 25a, 31b, 32b are electrically connected by the wire (not shown) etc. which were formed by the wire bonding etc. of gold | metal | money or aluminum.
[0044]
In such a configuration, the detection capacity 40 between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 24 has the first capacitance (CS1), and the detection interval 40 between the second fixed electrode 32 and the movable electrode 24 has the first capacitance. Two capacitors (referred to as CS2) are respectively formed.
[0045]
When the acceleration is received, the entire movable portion 20 is integrally displaced in the Y-axis direction by the spring function of the beam portion 22, and the capacitances CS <b> 1 and CS <b> 2 change according to the displacement of the movable electrode 24. The circuit means 80 detects acceleration based on a change in the differential capacitance (CS1-CS2) caused by the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31, 32.
[0046]
Further, in the present sensor S1, by forcibly applying a signal to the movable part 20, displacing the movable part 20 by a predetermined amount from the initial position, and then returning the movable part 20 to the initial position, The capacity change during that time is monitored and the detection performance is self-diagnosed.
[0047]
The acceleration detection method and self-diagnosis method in the sensor S1 will be specifically described. FIG. 3 shows a specific configuration of the circuit means 80 provided in the sensor S1.
[0048]
The circuit means 80 includes a CV conversion circuit (switched capacitor circuit) 90 and a switch circuit 100. The CV conversion circuit 90 converts the change of the capacitances CS1 and CS2 composed of the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 into a voltage and outputs the voltage, and includes an operational amplifier 91, a capacitor 92, and a switch 93. ing.
[0049]
The inverting input terminal of the operational amplifier 91 is connected to the movable electrode 24 via the movable electrode pad 25a, and a capacitor 92 and a switch 93 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal. In addition, either the voltage V / 2 or the voltage V1 is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 91 via the switch circuit 100.
[0050]
In the switch circuit 100, the non-inverting input terminal of the operational amplifier 91 in the CV conversion circuit 90 has either a voltage V / 2 or a voltage V1 (different from V / 2) from each voltage source (not shown). The switch 101 and the switch 102 are included. The switch 101 and the switch 102 are configured such that the other opens when one is closed.
[0051]
Further, the circuit means 80 has a control circuit (not shown). This control circuit inputs a carrier wave P1 that periodically changes at a fixed amplitude V from the fixed electrode pad 31b to the first fixed electrode 31 and fixes it. A carrier wave P2 that is 180 ° out of phase with the carrier wave P1 and has the same amplitude V is input to the second fixed electrode 32 from the electrode pad 32b. The control circuit can control the opening and closing of the switches 93, 101, and 102 at a predetermined timing.
[0052]
First, an acceleration detection method, that is, a state in which a detection signal for detecting acceleration is applied (during normal operation) will be described with reference to a signal waveform diagram shown in FIG. As shown in FIG. 4, the carrier wave P1 (for example, frequency 100 kHz, amplitude 0 to 5 V) output from the control circuit has a constant amplitude in which the high level and the low level change with the period φ1 as one cycle (for example, 10 μs). The carrier wave P2 is a rectangular wave signal having a voltage level inverted with respect to the carrier wave P1.
[0053]
In the normal operation, when the carrier waves P1 and P2 are applied to the fixed electrodes 31 and 32, the switch 101 is closed and the switch 102 is opened in the switch circuit 100. Thereby, a voltage of V / 2 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 91, and a constant voltage (movable electrode signal) of V / 2 (for example, 2.5V) is applied to the movable electrode 24.
[0054]
When no acceleration is applied in this state, the potential difference between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 24 and the potential difference between the second fixed electrode 32 and the movable electrode 24 are both V / 2, The electrostatic force between the first fixed electrode 31 and the movable electrode 24 and the electrostatic force between the second fixed electrode 32 and the movable electrode 24 are substantially equally balanced.
[0055]
Further, during normal operation, in the CV conversion circuit 90, the switch 93 is opened and closed at the timing shown in FIG. When the switch 93 is closed (period φ2), the capacitor 92 is reset. On the other hand, acceleration detection is performed when the switch 93 is open. That is, the period other than the period φ2 in the period φ1 is a period for detecting acceleration. In this detection period, the output voltage V0 from the CV conversion circuit 90 is expressed by the following formula 1.
[0056]
[Expression 1]
V0 = (CS1-CS2) .V '/ Cf
Here, V ′ is a voltage between both pads 31 a and 32 a, that is, between both fixed electrodes 31 and 32, and Cf is a capacitance of the capacitor 92.
[0057]
When acceleration is applied, the balance between the first capacitor CS1 and the second capacitor CS2 changes. Then, a voltage corresponding to the capacitance difference (CS1−CS2) based on the above formula 1 is output as an output V0 (for example, 0 to 5V) in a form added as a bias to the output V0 when no acceleration is applied. Thereafter, the output V0 is subjected to signal processing by a signal processing circuit (not shown) including an amplifier circuit, a low-pass filter, and the like, and is detected as an acceleration detection signal.
[0058]
Next, the operation at the time of self-diagnosis will be described with reference to the signal waveform diagram shown in FIG. As shown in FIG. 5, carrier waves P1 and P2 that are rectangular wave signals having a constant amplitude V (amplitude 0 to 5 V in the illustrated example) are input by the control circuit. Here, in the period φ3 (for example, 100 μs), the carrier wave P1 and the carrier wave P2 are constant voltage signals (for example, the carrier wave P1 is 0V and the carrier wave P2 is 5V) whose voltage levels are inverted.
[0059]
In the period φ3, when the carrier waves P1 and P2 are applied to the fixed electrodes 31 and 32, the switch 101 is open and the switch 102 is closed in the switch circuit 100. Therefore, a voltage V1 (for example, 3V) different from V / 2 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 91, and the voltage V1 is applied to the movable electrode 24 as a movable electrode signal.
[0060]
When the voltage V1 is applied to the movable electrode 24, the balance of the electrostatic force in the normal operation is lost, and the movable electrode 24 is a fixed electrode having a larger potential difference between the fixed electrode 31 and 32 and the movable electrode 24. Be drawn to. In the example shown in FIG. 5, the beam portion 22 bends so as to be drawn toward the first fixed electrode 31, and the weight portion 21 and the movable electrode 24 are pseudo-displaced integrally therewith.
[0061]
As described above, the period φ3 is a period in which the movable portion 20 is pseudo-displaced by a desired amount and pseudo acceleration is generated in the movable electrode 24. In the period φ3, the switch 93 of the CV conversion circuit 90 is closed, so that the capacitor 92 is in a reset state.
[0062]
Next, in the period φ4 (for example, 10 μs), a signal waveform similar to that in the period φ1 shown in FIG. 4 is applied between the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32, so that the previous period φ3 is applied. This is a period for detecting the generated pseudo acceleration (dynamic quantity).
[0063]
That is, the switch 93 of the CV conversion circuit 90 is opened, the capacitor 92 is set in the same state as the acceleration can be detected, and the carrier waves P1 and P2 similar to those in the normal operation are applied. In the switch circuit 100, the switch 101 is closed, the switch 102 is opened, and a constant voltage of V / 2 (for example, 2.5 V) is applied to the movable electrode 24 as a drive electrode signal.
[0064]
Then, in this period φ4, for example, the movable electrode 24 that has been attracted toward the first fixed electrode 31 tends to return to the original position, so that the capacitor of the CV conversion circuit 90 responds to this capacitance change. Charge is generated in 92, and the pseudo acceleration generated in the period φ3 can be detected.
[0065]
As described above, the self-diagnosis signal (the carrier wave and the movable electrode signal) having the period (φ3 + φ4) as one cycle is applied between the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32, thereby enabling self-diagnosis. ing.
[0066]
By the way, according to the present embodiment, the main feature is that the planar shape of each comb tooth in the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 is tapered from the root portion side to the protruding tip portion side. . According to this, the rigidity in the Y-axis direction of the movable and fixed electrodes 24, 31 and 32 can be improved as compared with the movable and fixed electrodes (see FIG. 6) which are a conventional flat rectangular shape.
[0067]
Therefore, even when an excessive acceleration is applied, the deflection of the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 is suppressed. Therefore, according to the present embodiment, sticking due to electrode deflection can be prevented.
[0068]
In addition, the planar shape of the electrode is not a taper taper shape that is continuously narrowed from the root portion side toward the protruding tip portion side, but the tip portion side has a stepped portion and protrudes discontinuously. If the shape is wider than the portion side (non-continuous tapered shape), it is easy to bend at the stepped portion, and the effect of improving the rigidity is difficult to obtain. The taper taper shape in the present embodiment excludes such a discontinuous taper shape.
[0069]
In addition, according to the present embodiment, since the electrode can be reduced in weight and improved in rigidity compared with the comb-like movable and fixed electrode having a rectangular planar shape, the resonance of the electrode reduced in weight can be achieved. The frequency can be made larger than the resonance frequency of the entire movable part 20, and noise can be reduced.
[0070]
Further, according to the present embodiment, the rigidity and weight of the movable electrode 24 can be improved as compared with the conventional planar rectangular movable electrode. As a result, the movable part 20 including the weight part 20 and the movable electrode 24 can be achieved. The overall weight can be reduced. This has the following advantages during self-diagnosis.
[0071]
If the movable electrode 24 is easily bent at the time of self-diagnosis, the driving force is not sufficiently transmitted to the beam portion 22 that displaces the weight portion 21 due to vibration of the movable electrode 24 itself, and is attenuated. If the entire movable part 20 is heavy, it is difficult for the movable part 20 to be displaced by the self-diagnosis signal.
[0072]
Therefore, the pseudo displacement amount of the weight portion 21 is smaller than the normal displacement amount that can be expected, and the capacitance change due to the return of the movable portion to the initial position is also reduced. As a result, the output in the self-diagnosis is reduced. End up.
[0073]
In this respect, according to the present embodiment, the rigidity of the movable electrode 24 can be improved, and the weight of the movable portion 20 can be reduced. Therefore, the displacement amount of the weight portion 21 can be easily changed during the self-diagnosis. A normal displacement amount can be ensured, and a decrease in output in self-diagnosis can be prevented.
[0074]
Moreover, in this embodiment, since the planar shape of each comb-tooth in both the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 is a taper taper shape, the advantage that the input dynamic range as an acceleration sensor can be expanded. There is. This is because the deflection of both the movable and fixed electrodes 24, 31 and 32 is suppressed.
[0075]
If one of the movable and fixed electrodes has a flexible shape such as a conventional flat rectangular shape, for example, when the applied acceleration is large, the flexible electrode bends to detect the detection interval. 40 changes more than necessary. Then, apparently, the capacitances CS1 and CS2 between the electrodes change as if an acceleration larger than the actual applied acceleration was applied. This leads to non-linearity of sensor output characteristics, which is not preferable.
[0076]
In that respect, if the deflection of both the movable and fixed electrodes 24, 31, and 32 is suppressed, a capacitance change corresponding to the applied acceleration can be realized even when a larger acceleration is applied. Therefore, the non-linearity of the sensor output characteristic can be improved, leading to an expansion of the input dynamic range.
[0077]
In addition, when considering the tapered shape of the taper, a shape in which the protruding tip of the electrode is sharp may be employed. However, in the case of a sensor manufactured using a semiconductor manufacturing technique like the present sensor S1, the planar shape of each electrode 24, 31, 32 is defined by performing trench etching on the second silicon substrate 12.
[0078]
Therefore, considering the exposure accuracy, patterning accuracy, and etching accuracy when forming the etching mask, it is difficult to sharpen the protruding tip from the viewpoint of processing accuracy. For this reason, in this embodiment, the planar shape of the electrode can be appropriately processed by making the protruding tip of the electrode into a trapezoidal shape having a certain width.
[0079]
Further, in the present embodiment, the manufacturing method is the same as that of the conventional sensor because the configuration of the electrode is merely a tapered taper shape with respect to the conventional comb-shaped electrode that is a flat rectangular shape. A well-known semiconductor manufacturing technique can be applied.
[0080]
In addition, if the rigidity of the comb-teeth electrodes 24, 31, and 32 having a tapered taper shape in the present embodiment may be equal to that of a conventional comb-teeth electrode having a flat rectangular shape, the effect of the taper taper-shape is implemented. It is possible to increase the capacitance value at the detection interval 40 by making the electrode of the configuration longer than the conventional electrode. In that case, the sensitivity can be improved and the Q value of the vibration of the movable portion 20 can be reduced, so that the sensor characteristics can be improved.
[0081]
(Other embodiments)
In the above embodiment, the planar shape of each comb tooth in both the movable electrode 24 and the fixed electrodes 31 and 32 is tapered, but the planar shape of each comb tooth is tapered. Only the movable electrode 24 or only the fixed electrodes 31 and 32 may be used. Even in these cases, sticking due to electrode deflection can be prevented.
[0082]
Further, the present invention is not limited to the one applied to the semiconductor acceleration sensor S1, but can be similarly applied to a capacitive mechanical quantity sensor such as a pressure sensor or a yaw rate sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a specific configuration diagram of circuit means in the sensor shown in FIG. 1;
4 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the circuit means shown in FIG. 3 during normal operation.
5 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the circuit means shown in FIG. 3 during self-diagnosis.
FIG. 6 is a schematic plan view of a conventional general mechanical quantity sensor.
7 is a schematic cross-sectional view along the line BB in FIG. 6. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... 1st silicon substrate (base part), 24 ... Movable electrode, 31 ... 1st fixed electrode, 32 ... 2nd fixed electrode.

Claims

基部（１１）と、
この基部に対して力学量の印加に応じて所定方向に変位可能なように支持された錘部（２０）と、
この錘部から突出する櫛歯状の可動電極（２４）と、
この可動電極における個々の櫛歯の側面と離間して対向するように前記基部から突出する櫛歯状の固定電極（３１、３２）とを備え、
力学量が印加されたときの前記錘部の変位に伴う前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化に基づいて、印加力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、
前記可動電極及び前記固定電極の両方における個々の櫛歯の平面形状が、根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状となっていることを特徴とする力学量センサ。A base (11);
A weight (20) supported so as to be displaceable in a predetermined direction in response to application of a mechanical quantity with respect to the base;
Comb-shaped movable electrode (24) protruding from the weight,
Comb-shaped fixed electrodes (31, 32) projecting from the base so as to face and separate from the side surfaces of the individual comb teeth in the movable electrode,
In a mechanical quantity sensor that detects an applied mechanical quantity based on a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode accompanying displacement of the weight when a mechanical quantity is applied,
A mechanical quantity sensor characterized in that the planar shape of each comb tooth in both the movable electrode and the fixed electrode is tapered from the base side toward the protruding tip side.

前記根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった形状は、櫛歯の根元部側から突出先端部側に向かってテーパ状に細くなった台形形状であることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。The tapered shape from the root side toward the projecting tip side is a trapezoidal shape that tapers from the root side of the comb tooth toward the projecting tip side. The mechanical quantity sensor according to claim 1 .