JP4976349B2 - 静電容量型加速度センサ及び静電容量型加速度計 - Google Patents

Description

この発明は加速度入力により固定電極と可動電極の対向する面積が変化するように構成され、それら電極間の静電容量の変化から加速度を検知する静電容量型加速度センサ及びそれを用いた静電容量型加速度計に関する。

図９はこの種の加速度センサの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものである。固定基板１１上には絶縁層１２を介して上部基板１３が接合されており、この上部基板１３にビーム１４及び可動体（可動部）１５が形成されている。可動体１５は一対のビーム１４により矢印で示した加速度の検出方向に変位可能に支持されている。

可動体１５の下面には細長い矩形形状をなす複数の可動電極１６が互いに平行に、かつ加速度検出方向と直角に交差するように形成されており、一方、固定基板１１の上面には複数の可動電極１６に所定の間隙を介して１対１に対向するように細長い矩形形状をなす複数の固定電極１７が互いに平行に形成されている。

この加速度センサでは外部から加速度が加わると可動体１５が変位し、それにより静電容量を形成する固定電極１７と可動電極１６の対向する面積が変化する。よって、それら固定電極１７・可動電極１６間の静電容量の変化を検出することにより、入力加速度を検出することができるものとなっている。
特開平８−７５７８１号公報

ところで、上述した加速度センサのように、固定基板上に位置する可動体が加速度入力により固定基板の板面と平行に変位し、固定電極と可動電極の対向する面積が変化する構造を有する加速度センサでは、加速度が加わり、可動体が動くと、可動体には空気の粘性によって減衰力Ｆがかかる。この減衰力Ｆはニュートンの粘性の法則から下記の式で表すことができる。

Ｆ＝μＶ_０Ｓ／ｄ
μ：空気の粘性係数
Ｓ：可動体と固定基板が対向する面積
ｄ：可動体と固定基板の距離
Ｖ_０：可動体の速度

減衰力Ｆが大きいほど、可動体に作用するダンピングが大きくなり、このダンピングによって可動体の周波数特性が悪化する。この点、図９に示した従来の加速度センサでは、可動体１５全面が固定基板１１と対向しているので、Ｓは可動体１５全面の面積となり、つまりＳが大きく、減衰力Ｆが大きいため、十分な（高い）周波数特性が得られないものとなっていた。

この発明の目的はこの問題に鑑み、減衰力Ｆを大幅に低減することができるようにし、それにより高い周波数特性が得られるようにした静電容量型加速度センサ及び静電容量型加速度計を提供することにある。

請求項１の発明によれば、所定の間隙を介して固定電極と可動電極が対向され、加速度入力によりそれら固定電極と可動電極の対向面積が変化するように構成された静電容量型加速度センサは、固定電極が形成された固定基板と、その固定基板上に搭載固定された枠体と、その枠体内に位置して枠体に支持梁を介して支持され、入力加速度に応じて固定基板の板面と平行方向に変位する可動体と、その可動体に形成された可動電極とよりなり、固定基板及び固定電極は第１のシリコン層上に絶縁層を介して第２のシリコン層が積層されてなるＳＯＩウエハの第１のシリコン層によって一体形成され、枠体、支持梁、可動体及び可動電極は前記第２のシリコン層によって一体形成され、前記絶縁層を除去することによって前記間隙が形成されており、固定電極は固定基板に長辺が互いに隣り合うように配列形成された複数の矩形状の貫通穴によって前記変位方向に複数に分割され、可動電極は可動体に長辺が互いに隣り合うように配列形成された複数の矩形状の貫通穴によって前記変位方向に複数に分割され、固定電極の分割された電極を２分した半数と残りの半数とは可動電極の分割された電極に対し、前記変位方向において互いに逆方向にずれて位置され、前記半数の電極は分断溝によって２分された固定基板の一方の半部に位置し、前記残りの半数の電極は分断溝によって２分された固定基板の他方の半部に位置しているものとされる。

請求項２の発明によれば、静電容量型加速度計は請求項１記載の静電容量型加速度センサと、固定電極と可動電極間の静電容量を検出して加速度を演算する信号処理部とを備える。

この発明によれば、固定電極及び可動電極はそれぞれ貫通穴によって分割され、それら固定電極の分割された電極と可動電極の分割された電極とのみが対向する構造となっているため、空気の粘性による減衰力を従来に比し、大幅に低減することができ、よって高い周波数特性を得ることができ、その点で周波数特性の良好な静電容量型加速度センサ及びそれを用いた静電容量型加速度計を実現することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による静電容量型加速度センサの一実施例の構成を示したものであり、図２Ａはその断面構造を示したものである。この例では静電容量型加速度センサは第１のシリコン層２１上に絶縁層２２を介して第２のシリコン層２３が積層されてなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ２０を使用して作製されている。

図３及び４はこの静電容量型加速度センサを上下２つに分け、第２のシリコン層２３を用いて作製されている部分と、第１のシリコン層２１を用いて作製されている部分の平面形状をそれぞれ示したものであり、この例では第２のシリコン層２３によって図３に示したように枠体３１、支持梁３２、可動体３３が一体形成され、第１のシリコン層２１によって図４に示したような形状を有する固定基板４１が形成されている。

枠体３１は方形枠状をなし、この枠体３１内に可動体３３が位置されている。可動体３３は外形形状が方形とされ、その４つの角部が支持梁３２を介して枠体３１にそれぞれ連結支持されている。可動体３３はこれら４つの支持梁３２に支持されることにより、その板面と平行なＸ方向に変位可能とされている。

可動体３３はこの例ではその全体が可動電極の役割を担うものとされ、つまり可動電極３４は可動体３３そのものによって構成されており、この可動電極３４には細長い矩形状をなす貫通穴３５が複数形成されている。貫通穴３５はこの例では５つ、長辺が互いに隣り合うようにＸ方向に配列されて形成されており、これら５つの貫通穴３５によって可動電極３４はＸ方向に６つに分割されている。Ｘ方向における分割された各電極３４ａの幅Ｗ_１と貫通穴３５の幅Ｗ_２はこの例では等しくされている。なお、枠体３１上には４つの支持梁３２の位置に対応して引き出し電極３６が４つ形成されており、また枠体３１の引き出し電極３６が形成されていない他の２辺の中央の外側には切り欠き３７が形成されている。

一方、固定基板４１は図４に示したように分断溝４２によって２分されており、このように２分された固定基板４１全体がこの例では固定電極の役割を担うものとされ、つまり固定基板４１そのものによって固定電極４３が構成されている。

固定電極４３の一方の半部４４と他方の半部４５には可動電極３４と同様に、それぞれ細長い矩形状をなす貫通穴４６が複数形成されており、この例では各半部４４，４５にそれぞれ３つ、長辺が互いに隣り合うようにＸ方向に配列されて貫通穴４６が形成されている。固定電極４３の各半部４４，４５はこれら貫通穴４６によってＸ方向にそれぞれ分割されており、Ｘ方向における分割された各電極４３ａの幅Ｗ_３と貫通穴４６の幅Ｗ_４は等しくされている。また、電極４３ａの幅Ｗ_３は可動電極３４の分割された電極３４ａの幅Ｗ_１と等しくされている。なお、図４中、ハッチングを付した部分は固定電極４３上に位置する絶縁層２２を示し、４７，４８は絶縁層２２が除去された窓４９内に位置して固定電極４３上に形成された引き出し電極を示す。

枠体３１は固定電極４３上に絶縁層２２を介して位置され、これにより可動電極３４の分割された電極３４ａと固定電極４３の分割された電極４３ａが図２Ａに示したように所定の間隙を介して対向される。なお、固定電極４３上の引き出し電極４７，４８は枠体３１の切り欠き３７にそれぞれ位置して外部に露出される。

可動電極３４の分割された電極３４ａと固定電極４３の分割された電極４３ａとはＸ方向においてずれて位置されており、この例では電極３４ａと電極４３ａはＸ方向において互いの幅の半分が重なって対向するようにずれて位置されている。また、固定電極４３の一方の半部４４の電極４３ａと他方の半部４５の電極４３ａは可動電極３４の分割された電極３４ａに対し、Ｘ方向において互いに逆方向にずれて位置されている。図２Ａ中、Ｓ_０は入力加速度０の時に固定電極４３の分割された電極４３ａと可動電極３４の分割された電極３４ａで静電容量を形成する面積を示す。

図２Ｂは上記のような構成を有する静電容量型加速度センサに加速度が加わり、可動電極３４が固定電極４３（固定基板４１）の板面と平行方向（Ｘ方向）に変位した状態を示したものである。この時、図２Ｂ中に示したように、ａ部（固定電極４３の一方の半部４４側）においては静電容量を形成する面積はＳ_０＋ΔＳへ変化し、静電容量が増加する。誘電率をε、電極間隔をｄ、電極数をｎ個とすると、静電容量はｎεＳ_０／ｄからｎε（Ｓ_０＋ΔＳ）／ｄに変化する。一方、ｂ部（固定電極４３の他方の半部４５側）においては静電容量を形成する面積は逆にＳ_０−ΔＳへ変化するので、静電容量はｎεＳ_０／ｄからｎε（Ｓ_０−ΔＳ）／ｄに変化する。この例ではａ部の電極３４ａ，４３ａの数とｂ部の電極３４ａ，４３ａの数を等しく構成しているので、対向電極の総面積は加速度が加わっても変わらないが、可動電極３４側をＧＮＤにし、ａ部とｂ部の静電容量の差をとることで入力加速度を求めることができる。

上述した静電容量型加速度センサ５０によれば、可動電極３４をなす可動体３３及び固定電極４３をなす固定基板４１にそれぞれ貫通穴３５，４６が配列形成されて、それら貫通穴３５，４６により分割された電極３４ａと電極４３ａのみが対向する構造となっている。従って、図９に示した従来の加速度センサのように、可動電極が形成されていない部分も含めて可動体全面が固定基板の板面と対向している構造と比べて可動体と固定基板の対向面積を小さくすることができ、よって空気の粘性による減衰力Ｆを大幅に低減することができ、その点で高い周波数特性を得ることができる。

ここで、具体的数値例をもとに説明する。
図５は可動体３３（可動電極３４）と固定基板４１（固定電極４３）の重なり状態を示したものであり、図中、ハッチングを付した部分が可動体３３と固定基板４１が対向している部分である。図５中に示した各部の寸法を下記とする。

電極３４ａの幅Ｗ_１＝０．２ｍｍ
電極４３ａの幅Ｗ_３＝０．２ｍｍ
電極３４ａが貫通穴４６と対向する幅Ｗ_５＝０．１ｍｍ
可動体３３の長さＬ_１＝１．６ｍｍ
貫通穴３５の長さＬ_２＝１．４ｍｍ

これらの寸法より可動体３３と固定基板４１が対向する面積Ｓ_２を求めると、
Ｓ_２＝（１．６×０．２−１．４×０．１）×４＋１．６×０．１×２
＝１．０４（ｍｍ^２）
となる。一方、可動体３３の全体の大きさは、１．６ｍｍ×２．２ｍｍであり、その面積Ｓ_１は、
Ｓ_１＝３．５２（ｍｍ^２）
となる。

例えば、図９に示した従来の加速度センサのように、可動体３３の全面が固定基板４１と対向していると仮定すると、可動体３３と固定基板４１が対向する面積はＳ_１＝３．５２ｍｍ^２となる。減衰力Ｆは対向する面積に比例するので、上記実施例の構成によれば、減衰力Ｆを従来構成の約０．３倍に低減することができる。

さらに、この実施例によれば、ａ部とｂ部を設け、加速度が加わると、それらａ，ｂ部の一方の対向電極面積は増加し、他方の対向電極面積は減少するようにしており、かつ対向面積増加量と対向面積減少量が等しくなるようにしている。従って、いかなる加速度であっても可動電極３４と固定電極４３が対向する総面積を同じに（一定に）することができる。

例えば、このような構成を採用しない場合、正の加速度が入力された時は対向電極の総面積が大きくなり、負の加速度が入力された時は対向電極の総面積が小さくなるといった状況が生じる。このような対向面積の違いがあると、減衰力Ｆが正負の加速度で異なることになり、つまり入力波形に対して正負で感度が異なり、波形が歪むといった状況が生じる。これに対し、この発明の実施例では加速度の正負が異なっても対向電極面積が同じのため、入力波形に対して正負で感度が同じになり、波形の歪みを解消することができる。

次に、上述した静電容量型加速度センサ５０を用いて構成される静電容量型加速度計について説明する。

図６は静電容量型加速度計の構成例を示したものであり、静電容量型加速度計は静電容量型加速度センサ５０と信号処理部６０とによって構成されている。

信号処理部６０は抵抗素子６１，６２とバッファ回路６３，６４とＥＸ−ＯＲ素子６５と平滑回路６６とで構成される。抵抗素子６１，６２は、静電容量型加速度センサ５０の引き出し電極４７，４８から取り出されるａ部及びｂ部の各静電容量にそれぞれ接続されて、一対のＣＲ遅延回路を構成している。入力端子Ｔ１に与えられた矩形波は２つの経路に分岐されてこれら一対のＣＲ遅延回路に入力され、バッファ回路６３，６４を経由してＥＸ−ＯＲ素子６５に入力される。この時、２つの経路でそれぞれのＣＲ遅延回路の時定数によって定まる時間遅れが生じ、この時間遅れは図６の端点Ｘ１，Ｘ２における信号波形として図７に示すようにｔ１，ｔ３で表れる。また、ＥＸ−ＯＲ素子６５の端子Ｙには、端点Ｘ１，Ｘ２の信号の位相差に対応する幅のパルス波形が図７に示すように表れる。

つまり、ａ部の静電容量とｂ部の静電容量の差分の変化に伴い、パルス幅が変化する。端子Ｙの出力は平滑回路６６で平滑化され、出力端子Ｔ２において静電容量の変化に応じたアナログ出力を得ることができる。

次に、上述した静電容量型加速度センサ５０の作製方法を図８を参照して工程順に説明する。
（１）ＳＯＩウエハ２０を用意する。
（２）第１のシリコン層２１にＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ：深掘りの反応性イオンエッチング）で固定電極４３（貫通穴４６によって分割された電極４３ａ）と分断溝４２のパターンを形成する。
（３）第２のシリコン層２３側からＤＲＩＥを行い、枠体３１、支持梁３２、可動電極３４（貫通穴３５によって分割された電極３４ａ）のパターンを形成する。
（４）ＨＦ溶液でウェットエッチングを行い、支持梁３２下、電極３４ａ・４３ａ間等の絶縁層２２を除去する。
（５）Ａｕ膜をスパッタや蒸着でつけ、引き出し電極４７，４８等を形成する。

以上により、静電容量型加速度センサ５０が完成する。なお、ＳＯＩウエハ２０の第１のシリコン層２１及び第２のシリコン層２３の厚さはそれぞれ１５０μｍとし、絶縁層２２の厚さは３μｍとした。静電容量型加速度センサ５０の全体の大きさは３ｍｍ×３ｍｍ×０．３ｍｍ程度となる。支持梁３２は長さ２００μｍ、幅１０μｍとした。この幅１０μｍに対して、ウエハ厚み方向の厚さは１５０μｍとなっているため、支持梁３２はウエハ板面と平行方向には変位するが、ウエハ厚み方向には変形し難い構造となっている。

上述したようにＳＯＩウエハ２０を使用して静電容量型加速度センサ５０を作製すれば、ＳＯＩウエハ２０の両面から絶縁層２２までそれぞれ垂直にエッチングすることで可動電極３４や固定電極４３といった所要の構成要素を作製することができ、かつ絶縁層２２をエッチング除去することで可動電極３４・固定電極４３間の所定の間隙を形成することができ、つまりＳＯＩウエハ２０一枚で所定の間隙を介して対向する可動電極３４と固定電極４３を作製することができる。

このような作製方法に代え、例えば基板（固定基板）に貫通穴を配列形成すると共に、それら貫通穴間に固定電極の分割された電極をそれぞれ成膜等によって形成し、また支持梁を介して枠体に可動体が支持されてなる構造を別の基板（上部基板）で作製して、その可動体に貫通穴を配列形成すると共に、それら貫通穴間に可動電極の分割された電極を成膜等によって形成し、それら両基板を接合することによっても本発明の静電容量型加速度センサを作製することができる。しかしながら、この場合には基板接合のための接合装置が必要となり、また接合のための工数もかかり、その点で作製に手間がかかることになる。これに対し、ＳＯＩウエハを使用すれば、容易に作製することができる。

なお、上述した実施例では図２に示したようにａ部とｂ部に分け、固定電極４３の分割された電極４３ａを２分した半数と残りの半数とが可動電極３４の分割された電極３４ａに対し、Ｘ方向において互いに逆方向にずれているように構成しているが、必ずしもこのような構成を採用しなくてもよく、例えば可動電極３４の分割された電極３４ａに対し、固定電極４３の分割された電極４３ａが全て同じ方向にずれているような構成としてもよい。但し、この場合には前述したように波形歪の点では不利となる。

この発明による静電容量型加速度センサの一実施例の構成を示す斜視図。 Ａは図１の断面図、Ｂは加速度が加わった状態を示す断面図。 可動電極側の構成を示す平面図。 固定電極側の構成を示す平面図。 可動電極と固定電極の重なり状態を説明するための図。 この発明による静電容量型加速度計の一実施例の構成を示すブロック図。 図６の信号処理部における論理演算の内容を示す図。 図１に示した静電容量型加速度センサの作製方法を説明するための図。 Ａは静電容量型加速度センサの従来構成例を示す斜視図、Ｂはその断面図。

Claims (2)

1. 所定の間隙を介して固定電極と可動電極が対向され、加速度入力によりそれら固定電極と可動電極の対向面積が変化するように構成された静電容量型加速度センサであって、
   前記固定電極が形成された固定基板と、
   その固定基板上に搭載固定された枠体と、
   その枠体内に位置して枠体に支持梁を介して支持され、入力加速度に応じて前記固定基板の板面と平行方向に変位する可動体と、
   その可動体に形成された前記可動電極とよりなり、
   前記固定基板及び固定電極は第１のシリコン層上に絶縁層を介して第２のシリコン層が積層されてなるＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層によって一体形成され、
   前記枠体、支持梁、可動体及び可動電極は前記第２のシリコン層によって一体形成され、
   前記絶縁層を除去することによって前記間隙が形成されており、
   前記固定電極は前記固定基板に長辺が互いに隣り合うように配列形成された複数の矩形状の貫通穴によって前記変位方向に複数に分割され、
   前記可動電極は前記可動体に長辺が互いに隣り合うように配列形成された複数の矩形状の貫通穴によって前記変位方向に複数に分割され、
   前記固定電極の分割された電極を２分した半数と残りの半数とは前記可動電極の分割された電極に対し、前記変位方向において互いに逆方向にずれて位置され、
   前記半数の電極は分断溝によって２分された前記固定基板の一方の半部に位置し、
   前記残りの半数の電極は前記分断溝によって２分された前記固定基板の他方の半部に位置していることを特徴とする静電容量型加速度センサ。
2. 請求項１記載の静電容量型加速度センサと、
   前記固定電極と前記可動電極間の静電容量を検出して加速度を演算する信号処理部とを備えることを特徴とする静電容量型加速度計。

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