JP6142554B2

JP6142554B2 - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JP6142554B2
Application number: JP2013018372A
Authority: JP
Inventors: 辻　信昭; 信昭辻; 秀和小野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP2014149234A

Description

本願に開示の技術は、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される静電容量型センサに関するものである。

従来、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される物理量センサには静電容量を用いるものがある。例えば、基板と振動質量体とを備えており、基板に立設された支承部に設けられたトーションバーに対して振動質量体が回転可能に保持されたものがある（例えば、特許文献１など）。特許文献１に開示されるセンサでは、振動質量体が平板状に形成され基板の平面と離間し平行に対向するように設けられトーションバーの延設方向を回転軸線として回転するように設けられている。振動質量体は、回転軸線に対して対称となる位置に第１翼部と第２翼部とを備えている。基板は、トーションバーの第１及び第２翼部の各々に対向する基板上に第１及び第２固定電極が設けられている。センサは、各翼部と各固定電極との各々でコンデンサが構成される。振動質量体は、例えば、基板の平面方向に対して垂直な方向に作用する物理量（文献では、加速度）に応じて回転する。そして、センサは、振動質量体の回転に応じて各翼部と各固定電極との間の距離が変動し、距離の変動にともなう静電容量の変化量から加速度が検出される。

また、特許文献１に開示されるセンサの振動質量体には、第１翼部と第２翼部との各々に異なる穴径の貫通孔が形成されている。このため、振動質量体は、第１翼部と第２翼部とに異なるモーメントが作用し、センサに作用する加速度に応じて回転する。

特表２００９−５３７８０３号公報

ところで、上記したような静電容量型センサは、各翼部と各固定電極との間に電圧が印加されることによって、静電容量の変化量から各物理量が検出される。センサを使用する場合には、検出に先立ち各翼部と各固定電極との間に、例えば第１翼部と第２翼部とで逆位相となるパルス波の交流電圧が印加され振動質量体が初期状態とされる。各翼部と各固定電極との間に電圧が印加されると、振動質量体は、第１翼部と第１固定電極との間の静電気力と、第２翼部と第２固定電極との間の静電気力との２つの静電気力の差に応じて回転トルクが生じる。そのため、検出を開始する初期状態としては、振動質量体が静電気力の差に起因した回転トルクによって回転（振動）した状態から所定の範囲内の位置に振動が収まった安定した状態となる必要がある。

しかしながら、上記した特許文献１には、各翼部に形成する貫通孔を異なる穴径で形成することが記載されているが、貫通孔の穴径を異なる態様としたことで上記した初期状態の静電気力がどのようになるのかについては何ら記載されていない。そのため、振動質量体に作用するモーメントのみ着目し各貫通孔を形成する場合には、起動時に振動質量体に作用する静電気力がどのようになるのかが不確定である。結果として、振動質量体の振動が安定した状態へ移行するのに必要な時間が最適化されず、起動時間が不要に長くなってしまうことが問題となる。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものである。起動時間の短縮を図ることができる静電容量型センサを提供することを目的とする。

本願に開示される技術に係る静電容量型センサは、基板と、基板に対して固定される支承部に設けられるトーションバーと、トーションバーの延設方向を回転軸線として回転可能に設けられ基板と離間し基板平面に対向する位置に設けられる平板状の振動質量体と、振動質量体の回転軸線を間に挟んだ位置の各々に設けられる第１及び第２翼部と、基板上に設けられ第１翼部に対向し、第１翼部との間の第１静電容量の変化量が出力される第１固定電極と、基板上に設けられ第２翼部に対向し、第２翼部との間の第２静電容量の変化量が出力される第２固定電極と、第１翼部に設けられ平板状の振動質量体の２つの主面の間を貫通する複数の第１貫通孔と、を備え、第１貫通孔は、第１静電容量が第２静電容量と略同一の静電容量となる穴径を有する。

当該静電容量型センサでは、トーションバーに対して回転可能に設けられる振動質量体に対し、回転軸線を間に挟んだ位置の各々に第１翼部と第２翼部とが設けられる。静電容量型センサは、基板上の第１固定電極と第１翼部との間の第１静電容量と、基板上の第２固定電極と第２翼部との間の第２静電容量との各静電容量の変化量を出力することによって物理量（例えば、加速度）が検出される。第１翼部は、平板状の振動質量体の２つの主面の間を貫通する複数の第１貫通孔が設けられる。

振動質量体は、第１貫通孔が第１翼部に設けられ第２翼部より軽量となり、翼部間の質量に差が生じることによって、各翼部に対して異なるモーメントが生じる。振動質量体は、各翼部に異なるモーメントが働くことによって、センサに作用する物理量に応じて回転する。ここで、第１貫通孔を第１翼部に形成したことによって、第１静電容量と第２静電容量とに差異が生じる場合がある。その結果、第１翼部と第１固定電極との間の静電気力と、第２翼部と第２固定電極との間の静電気力との２つの静電気力の差に応じて振動質量体に回転トルクが生じセンサの起動時間が長くなる。

そこで、当該静電容量型センサでは、第１翼部に形成される第１貫通孔の穴径を調整することで、第１静電容量が第２静電容量と略同一となるように構成する。第１静電容量は、第１固定電極と第１翼部を構成する振動質量体の平面とを結ぶ電気力線による平行平板容量分が主たる構成要素である。この平行平板容量分の他に、第１貫通孔の内側面と第１固定電極とを結ぶ電気力線の廻り込みによる容量分も静電容量として寄与する。第１翼部に開孔される第１貫通孔による平板面積の減少に伴う平行平板容量分の減少分が、第１貫通孔の内側面による廻り込みの容量分で補われることとなる。第１貫通孔の穴径を調整することにより、平行平板容量分の減少分と略同一の容量分を廻り込みの容量分で補うことができる。これにより、第１静電容量と第２静電容量とを略同一の静電容量とすることができる。このような構成では、起動時において各翼部に作用する静電気力を同一なものとすることができ、振動質量体の振動が安定した状態へ移行するのに必要な時間を最適化することができる。その結果、静電容量型センサの起動時間の短縮を図ることが可能となる。

尚、廻り込みによる容量分は、第１貫通孔の内側面と第１固定電極とを結ぶ電気力線に応じて生ずるところ、電気力線は第１貫通孔の内側面の浅い位置において強く奥に入るに従い小さくなる。従って、廻り込みによる容量分は、主に、開孔近傍の内壁面の周縁において発せられる電気力線によるものが支配的となる。従って、貫通孔の開孔により減少する平行平板の容量分の減少分は貫通孔の開孔面積に比例するところ、貫通孔の廻り込みによる容量分の増分は、開孔の穴径や円周長等に比例することとなる。廻り込みによる容量分での補填は、貫通孔の開孔が小径な場合において有効であることとなる。

本願に開示される技術に係る静電容量型センサにおいて、第２翼部に設けられ振動質量体の２つの主面の間を貫通し、第１貫通孔と異なる全面積で形成される複数の第２貫通孔を備え、第１及び第２貫通孔の各々は、第１静電容量と第２静電容量とが略同一の静電容量となる全面積の大きさで形成される構成としてもよい。なお、ここでいう全面積とは、平板状の振動質量体を平面に対して垂直な方向から見た場合における第１貫通孔と第２貫通孔との各々の開孔部の面積を合計した大きさをいう。

当該静電容量型センサでは、第１貫通孔に加え、第２翼部に第２貫通孔が形成される。第２翼部は、振動質量体の２つの主面の間を貫通し、第１貫通孔と異なる全面積となる複数の第２貫通孔が設けられる。振動質量体は、第１及び第２貫通孔の全面積が互いに異なることによって、各翼部に異なるモーメントが生じる。この第１及び第２翼部の各々に作用するモーメントの差は、例えば、第１及び第２翼部に互いに異なる穴径の第１及び第２貫通孔を設けた場合に、穴径の差によって各翼部の質量に差が生じることに起因する。また、例えば、振動質量体を窒素等の媒体が充填されたケース内に収納した場合に、各貫通孔内を流れる媒体によって生じる減衰トルクの差に起因する。

そして、振動質量体は、各翼部に異なるモーメントが働くことによって、センサに作用する物理量に応じて回転する。ここで、両貫通孔の全面積が異なる場合としては、貫通孔の穴径が異なる、あるいは貫通孔の間隔（ピッチ）が異なる等の場合が想定される。この場合においても、第１静電容量と第２静電容量とに差異が生じると起動時間が長くなる。

そこで、当該静電容量型センサでは、第２翼部に開孔される第２貫通孔は、第１翼部での第１貫通孔の場合と同様に、開孔による平行平板容量分の減少を廻り込みの容量分で補う穴径で構成されるものとする。また、第１及び第２翼部の各々で、平行平板容量分の減少を廻り込みの容量分で完全に補うことの他、第１翼部での平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和が、第２翼部での平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和と略同一となる全面積で構成すればよい。これにより、第１静電容量と第２静電容量とが略同一となる貫通孔が形成される。このような構成では、起動時において各翼部に作用する静電気力を同一なものとすることができ起動時間の短縮を図ることが可能となる。

また、本願に開示される技術に係る静電容量型センサにおいて、第２固定電極は、第１貫通孔に対応する開孔あるいはスリットが形成される構成としてもよい。

当該静電容量型センサでは、第１静電容量と第２静電容量との差を補償するために、第２固定電極に開孔あるいはスリットが形成される。第１翼部に第１貫通孔が形成される場合には、第１静電容量が第１翼部と第１固定電極との平行平板容量分と廻り込みの容量分とで構成される。これに対し、第２翼部と第２固定電極とが、第１翼部及び第１固定電極と同様の構成であるため、第２固定電極に対して開孔あるいはスリットを設ける。これにより、第２静電容量についても、平行平板容量分と廻り込みの容量分とで構成される。この時、第２固定電極に形成される開孔あるいはスリットを第１貫通孔に対応して形成してやれば、平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和を第１翼部と第２翼部とで略同一に調整することができる。その結果、両静電容量を同一とすることが容易となり起動時の短縮を容易に図ることができる。

また、本願に開示される技術に係る静電容量型センサにおいて、第１貫通孔は、第２貫通孔に比べて小さい全面積で形成され、第１固定電極は、第１貫通孔と第２貫通孔との全面積の差に基づいた大きさの開孔あるいはスリットが形成される構成としてもよい。

当該静電容量型センサでは、第１静電容量と第２静電容量との差を補償するために、第１固定電極に開孔あるいはスリットが形成される。詳述すると、第１貫通孔は、第２貫通孔に比べて小さい全面積で形成される。例えば、第１貫通孔の穴径が第２貫通孔に比べて小さい場合には、第１翼部が第１固定電極と対向する面の面積が、第２翼部が第２固定電極と対向する面の面積に比べて相対的に大きくなり平行平板の容量分が大きくなる。更に、貫通孔による廻り込みの容量分の増分と平行平板の容量分の減少との関係は前述したとおり、穴径が大きいほど減少分が支配的になるので、穴径が大きい第２貫通孔が開孔されている第２翼部においては、廻り込みの容量分による補填はより不十分なものとなる。この点からも第１静電容量の方が大きな値となる可能性がある。その結果、第１静電容量が第２静電容量に比べて増大する可能性が高くなる。そこで、当該センサでは、静電容量が相対的に増大する可能性が高い第１固定電極に両貫通孔の全面積の差に基づいた大きさの開孔あるいはスリットが形成される。これにより、第１静電容量において平行平板の容量分を減少させ廻り込みの容量分を増大させて、両静電容量を同一とすることが容易となる。

また、本願に開示される技術に係る静電容量型センサにおいて、第１翼部と第２翼部とは、略同一形状で構成され、第１固定電極と第２固定電極とは、略同一形状で構成され、前記回転軸線から同一距離となる前記基板上に設けられる構成としてもよい。

このような構成では、振動質量体の回転にともなって第１静電容量と第２静電容量とに生じる静電容量の変化量が同態様となり、例えば、全差動回路を用いて第１及び第２静電容量の変化量から任意の物理量を高精度に検出できる処理回路が構成できる。

また、本願に開示される技術に係る静電容量型センサにおいて、第１翼部及び第１固定電極と、第２翼部及び第２固定電極との各々の間に電圧を印加しない状態において、第１翼部と第２翼部とに生じるモーメントによって振動質量体が傾いた場合の第１静電容量と第２静電容量との変化量を加味した大きさの穴径が設定される構成としてもよい。

第１翼部に第１貫通孔を形成した場合、あるいは両翼部に全面積が異なる第１及び第２貫通孔を形成した場合には、各翼部と各固定電極のそれぞれの間に電圧を印加しない状態では各翼部の質量の差によって異なるモーメントが生じて振動質量体が傾く虞がある。そこで、当該静電容量型センサでは、振動質量体が傾いた場合の第１静電容量と第２静電容量との変化量を加味した上で、両静電容量が同一となるような大きさの穴径及び全面積で各貫通孔が形成される。これにより、第１静電容量と第２静電容量と高精度に一致させることが可能となり、起動時の短縮をより確実に図ることができる。

本願に開示される技術によれば、起動時間の短縮を図ることができる静電容量型センサを提供することができる。

第１実施形態の静電容量型センサの概略構成を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。センサの製造工程を説明するための断面図である。第２実施形態の静電容量型センサの概略構成を示す平面図である。図９のＢ−Ｂ線断面図である。別の静電容量型センサの断面図である。別の静電容量型センサの概略構成を示す平面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造した本実施形態に係る静電容量型センサの概略構成を示している。同図１に示すように、静電容量型センサ（以下、「センサ」という）１０は、振動質量体１１と、基板１２（図２参照）とを備えている。振動質量体１１は、平面視略長方形の板状に形成されている。なお、以下の説明では、図１に矢印で示すように、振動質量体１１の長辺に沿った方向をＸ方向、Ｘ方向に対して直角で振動質量体１１の短辺に沿った方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向との両方に直角となる方向（振動質量体１１の平板面に対して垂直な方向）をＺ方向と称し、説明する。

センサ１０は、振動質量体１１の外縁を取り囲むように枠部１３が形成されている。枠部１３は、平面視形状が長方形枠状に形成され、内壁が内側に設けられた振動質量体１１の外周部分と離間している。図２に示すように、枠部１３は、Ｚ方向の基端部が基板１２と一体形成され、Ｚ方向に沿って基板１２から延設されている。枠部１３のＺ方向の先端面１３Ａは、振動質量体１１の上面１１Ａ（図２における上側の面）とＺ方向における位置が同一となっている。

基板１２は、平板状のコア基板２１のＺ方向の上面を覆うように絶縁層２２が形成されている。絶縁層２２の上には、パッド２３、第１固定電極２５及び第２固定電極２６が形成されている。パッド２３は、基板１２の中央部に形成され、上面に支承部１４が設けられている。支承部１４は、基板１２上に立設しＺ方向に延びる直方体形状をなし、基端部がパッド２３と電気的に接続されている。第１及び第２固定電極２５，２６は、基板１２の中央部の支承部１４に対してＸ方向で対称な位置に形成されている。

図１に示すように、支承部１４は、Ｙ方向における側面１４Ａの各々に一対のトーションバー１５が形成されている。トーションバー１５は、Ｙ方向に沿って、換言すれば側面１４Ａに対して垂直な方向に沿って形成された棒状をなす。また、トーションバー１５は、Ｚ方向に対して直交する方向に沿った平面で切断した断面形状が、長辺がＹ方向に沿った長方形状をなす。トーションバー１５は、Ｙ方向の一端部が側面１４Ａと一体形成され、他端部が振動質量体１１と一体形成されている。

振動質量体１１は、Ｘ方向における中央部であって、Ｙ方向における両端部の各々に形成された回転支点部１８がトーションバー１５を介して支承部１４に支持されている。これにより、振動質量体１１は、トーションバー１５を介して支承部１４に対して回転可能に支持されている。振動質量体１１は、トーションバー１５のＸ方向の中央部を通りＹ方向に沿った回転軸線を中心に回転する。振動質量体１１は、回転軸線に対してＸ方向の一方側（図１において左側）に第１翼部３１が形成され、他方側（図１において右側）に第２翼部３２が形成されている。第１及び第２翼部３１，３２は、回転軸線を中心として互いに異なるＺ方向に回転する。ちなみに、支承部１４は、トーションバー１５のＸ方向の両側部分における側面１４Ａに延設部１４Ｂがそれぞれ形成されている。各延設部１４Ｂは、Ｙ方向に沿って複数に分岐した棒状に形成されている。この延設部１４Ｂは、例えば、振動質量体１１が回転する際に空気や媒体等との摩擦による減衰トルクを生じさせる抵抗部分としての機能や後述する犠牲層をエッチングする際のエッチング液の導入口（導入量）の調整部分として機能するものである。なお、延設部１４Ｂは、各回転支点部１８から支承部１４に向かってＹ方向に延設された構成としてもよい。また、センサ１０は、延設部１４Ｂを設けない構成としてもよい。

第１及び第２翼部３１，３２は、平面視における外縁の形状が同一形状をなす一方で、第１翼部３１には第１貫通孔３４が形成されている。詳述すると、第１翼部３１は、長辺がＹ方向に沿った平面視略長方形状をなす。また、第１固定電極２５は、第１翼部３１にＺ方向において対向し長辺がＹ方向に沿った平面視略長方形状に形成されている。第１翼部３１は、第１固定電極２５とＺ方向において対向する領域内に複数の第１貫通孔３４がマトリックスス状に形成されている。第１貫通孔３４は、第１翼部３１のＺ方向で対向する２つの主面を貫通し、振動質量体１１の平面方向で切断した断面形状が円形をなす。また、第２翼部３２は、長辺がＹ方向に沿った平面視略長方形状をなす。第２固定電極２６は、第２翼部３２にＺ方向において対向し長辺がＹ方向に沿った平面視略長方形状に形成されている。従って、第１及び第２固定電極２５，２６は、同一形状をなし、基板１２の平面視において回転軸線からＸ方向に同一距離となる位置に形成されている。

図２に示すように、第１貫通孔３４は、第１幅Ｌ１の大きさの穴径で形成されている。なお、第１貫通孔３４の形状・個数等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、第１貫通孔３４は、断面形状が四角形でもよい。また、第１貫通孔３４は、例えば、Ｘ方向、あるいはＹ方向に沿ったスリットとして構成してもよい。この場合、第１貫通孔３４の形状に応じて穴径を適宜設定する。

ちなみに、図１に示すように、第１及び第２翼部３１，３２には、Ｘ方向の外側の端部であって、Ｙ方向の両端部にＸ方向の外側へ突出して形成された凸部１９が設けられている。この凸部１９は、振動質量体１１の各翼部３１，３２が基板１２側に回転し基板１２の底部と接触する際に、各翼部３１，３２が基板１２の底部と接触する面積を低減する部分として機能するものである。なお、センサ１０は、凸部１９を設けない構成としてもよい。

上述したように構成されたセンサ１０は、振動質量体１１の回転にともなう第１翼部３１と第１固定電極２５との間の静電容量（以下、「第１静電容量」という）Ｃ１と、第２翼部３２と第２固定電極２６との間の静電容量（以下、「第２静電容量」という）Ｃ２に基づいて加速度が検出される。詳述すると、振動質量体１１は、第１及び第２翼部３１，３２が、回転支点部１８、トーションバー１５及び支承部１４を介して基板１２と電気的に接続されている。第１翼部３１は、第１固定電極２５とＺ方向で対向し第１静電容量Ｃ１のコンデンサが構成される。また、第２翼部３２は、第２固定電極２６とＺ方向で対向し第２静電容量Ｃ２のコンデンが構成される。

第１及び第２静電容量Ｃ１，Ｃ２は、センサ１０に対しＺ方向に作用する加速度に応じて振動質量体１１が回転すると、第１翼部３１と第１固定電極２５との間の距離Ｄ１（図２参照）及び第２翼部３２と第２固定電極２６との間の距離Ｄ２の変動にともなって第１及び第２静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化する。例えば、図２において、振動質量体１１が時計回りに回転すると、距離Ｄ１が増大するのにともなって静電容量Ｃ１が減少する一方で、距離Ｄ２が減少するのにともなって第２静電容量Ｃ２が増大する。センサ１０は、例えば、第１及び第２翼部３１，３２と第１及び第２固定電極２５，２６との各々の間に、逆位相のパルス波の交流電圧が印加される。そして、センサ１０は、振動質量体１１の回転にともなって変化する第１及び第２静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化量が図示しない処理回路（例えば、全差動回路等）に配線を介して出力され加速度が検出される。

次に、第１貫通孔３４を形成する条件について説明する。
まず、第１翼部３１は、第２翼部３２と略同一形状で形成され、且つ第１貫通孔３４が第１翼部３１のみに形成されていることから第２翼部３２に比べて軽量となり、第１及び第２翼部３１，３２間の質量に差が生じる。このため、第２翼部３２に対してトーションバー１５からの距離に基づいて作用するモーメントは、第１翼部３１に対してトーションバー１５からの距離に基づいて作用するモーメントに比べて大きくなる。従って、センサ１０に作用するＺ方向に沿った加速度に応じて、第１翼部３１が基板１２から離れる方向に回転し、第２翼部３２が基板１２へ近づく方向に回転、即ち、図２における時計回り方向に回転する。

そして、加速度の検出に先立ち、第１及び第２翼部３１，３２と第１及び第２固定電極２５，２６との間にパルス波の交流電圧が印加され振動質量体１１が初期状態とされる。各翼部３１，３２と各固定電極２５，２６との間に交流電圧が印加されると、振動質量体１１は、第１静電容量Ｃ１に基づく静電気力と第２静電容量Ｃ２に基づく静電気力との２つの静電気力の差に応じて回転トルクが生じ振動が発生する。検出を開始する初期状態としては、振動質量体１１の振動が所定の範囲内の位置に収まった安定した状態となる必要があるため、起動時間が長くなってしまう。

そこで、本実施形態のセンサ１０では、第１翼部３１に形成される第１貫通孔３４の穴径（第１幅Ｌ１）を調整することで、第１静電容量Ｃ１が第２静電容量Ｃ２と同一、あるいは略同一となるように構成されている。ここで、図２中に一点鎖線で示すように、例えば、第１固定電極２５から第１翼部３１に向かって生じる電気力線において、第１静電容量Ｃ１は、第１固定電極２５と第１翼部３１を構成する振動質量体１１の平面とを結ぶ電気力線４１による平行平板容量分が主たる構成要素である。この平行平板容量分となる電気力線４１の他に、第１貫通孔３４の内側面と第１固定電極２５とを結ぶ電気力線４２の廻り込みによる容量分も静電容量として寄与する。第１翼部３１に開孔される第１貫通孔３４による平板面積の減少に伴う平行平板容量分（電気力線４１）の減少分が、第１貫通孔３４の内側面による廻り込みの容量分（電気力線４２）で補われることとなる。第１貫通孔３４の第１幅Ｌ１を調整することにより、平行平板容量分の減少分と略同一の容量分を廻り込みの容量分で補うことができる。これにより、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２とを略同一の静電容量とすることができる。

このような構成では、起動時において各翼部３１，３２に作用する静電気力を同一、あるいは略同一なものとすることができる。従って、好適には静電容量が一致することとなり起動時に振動質量体１１に生じる振動がなくなる。その結果、起動時間の短縮を図ることが可能となる。なお、両静電容量Ｃ１，Ｃ２を同一、あるいは略同一とする為の第１幅Ｌ１の条件は、第１貫通孔３４の形状や各翼部３１，３２と各固定電極２５，２６との距離Ｄ１，Ｄ２や各固定電極２５，２６と各翼部３１，３２とが対向する面積などを変更しシミュレーション等を実施することにより決定できる。

また、上記したように、第２翼部３２の質量は、第１翼部３１に比べて大きいため、第２翼部３２に作用するモーメントが第１翼部３１に比べて大きくなっている。このため、起動のための電圧が印加されない状態では、第１翼部３１が基板１２から離れる方向に回転し第２翼部３２が基板１２に近づく方向に回転して、極めて微少ではあるが振動質量体１１が時計回り方向に傾いた状態となる場合がある。そこで、本実施形態のセンサ１０では、振動質量体１１が傾くことで第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２とが変化した変化量を加味した上で、両静電容量Ｃ１，Ｃ２が同一となる大きさの穴径で第１貫通孔３４が形成されている。これにより、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２と高精度に一致させることが可能となり、起動時の短縮をより確実に図ることができる。

更に、本実施形態のセンサ１０では、第１及び第２翼部３１，３２が同一形状で構成されている。また、第１及び第２固定電極２５，２６は、同一形状で構成され、Ｘ方向において回転軸線から同一距離に形成されている。そして、第１及び第２翼部３１，３２と第１及び第２固定電極２５，２６との各々の間に、逆位相のパルス波の交流電圧が印加される。従って、振動質量体１１の回転にともなって第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２とに生じる静電容量の変化量が同態様となる。このような構成では、シングルエンド回路に比べて高精度な検出可能な全差動回路を用いることができ、第１及び第２静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化量から加速度を高精度に検出できる処理回路が構成できる。なお、ここでいうシングルエンド回路とは、差動増幅回路の出力端子が１つである回路であり、全差動回路とは、出力端子が２つであり対称性を有する回路である。

次に、センサ１０の製造方法の一例について説明する。
まず、図３に示すコア基板２００を準備する。コア基板２００は、例えば単結晶シリコンからなるウェハである。センサ１０は、コア基板２００上に多数のセンサ素子を形成し、その後にダイシングを行って複数のセンサ１０に個片化することにより製造される。

コア基板２００の表面に絶縁層２１０を形成する。絶縁層２１０は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）や、二酸化シリコンの膜の上に窒化シリコンを積層した膜を熱酸化法や堆積法を用いて形成する。次いで、絶縁層２１０の表面に、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて任意にパターニングされた第１固定電極２１１、第２固定電極２１２、パッド２１３及びこれらを接続する配線（図示略）を形成する。各固定電極２１１，２１２等は、ポリシリコンなど、後述する犠牲層２１５のエッチングに対して耐性がある材料を用いる。なお、ＬＳＩ技術で一般的に用いられるアルミニウムを第１固定電極２１１等に用いる場合は、例えば、当該アルミニウムの上に窒化シリコン膜を積層したりして犠牲層２１５のエッチングに対して耐性を上げることが好ましい。また、絶縁層２１０、第１固定電極２１１、第２固定電極２１２、パッド２１３及び配線（図示略）を複数層で形成してもよい。

次いで、図４に示すように、絶縁層２１０、第１固定電極２１１、第２固定電極２１２及びパッド２１３を覆うように犠牲層２１５を形成する。犠牲層２１５は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法により二酸化シリコンを成膜して形成する。次いで、図５に示すように、犠牲層２１５に対しパッド２１３の表面の一部が露出するようにホール２１６Ａを形成する。また、犠牲層２１５に対し枠部１３の位置に応じたホール２１６Ｂを形成する。ホール２１６Ａ，２１６Ｂは、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。

次いで、図６に示すように、犠牲層２１５の上に電極層２１７を形成する。ホール２１６Ａ，２１６Ｂ内には電極層２１７の一部が充填される。電極層２１７は、例えばＣＶＤ法によりポリシリコンを成膜して形成する。次いで、図７に示すように、電極層２１７に対してエッチングを施し、第１貫通孔２１９が形成された第１翼部２２０と、第２翼部２２２と、枠部２２４と、支承部２２５とを形成する。電極層２１７に対するエッチングは、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて任意のパターニングで形成されたレジスト（図示略）を電極層２１７の上に形成し、そのレジストの開孔部から露出する領域に対しＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて異方性エッチングをする。なお、図示しないがトーションバー１５は、例えば、上記した第１及び第２翼部２２０，２２２と同一工程にて形成される。

次いで、図８に示すように、犠牲層２１５をエッチングする。犠牲層２１５のエッチングは、例えば、第１翼部２２０に形成された第１貫通孔２１９や枠部２２４と第２翼部２２２との間の隙間や上記した延設部１４Ｂ間の隙間等からエッチング液（例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ））を導入してエッチングする。このようにして、図１に示すセンサ１０が形成される。

以上、上記した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）振動質量体１１の第１翼部３１は、第２翼部３２と略同一形状で形成され、且つ第１貫通孔３４が第１翼部３１に形成されていることから第２翼部３２に比べて軽量となり、第１及び第２翼部３１，３２間の質量に差が生じる。従って、第１翼部３１と第２翼部３２とには異なるモーメントが発生するため、センサ１０に作用する加速度に応じて振動質量体１１が回転する。その一方で、センサ１０は、第１翼部３１と第１固定電極２５との間の第１静電容量Ｃ１と、第２翼部３２と第２固定電極２６との間の第２静電容量Ｃ２とが同一となる穴径（第１幅Ｌ１）で第１貫通孔３４が形成されている。このような構成では、起動時において各翼部３１，３２に作用する静電気力を同一なものとすることができ、起動時に振動質量体１１に生じる回転トルクをなくして起動時間の短縮を図ることが可能となる。

（２）また、第１貫通孔３４は、電圧を印加していない状態での振動質量体１１の傾きを加味した上で両静電容量Ｃ１，Ｃ２が同一となる大きさの穴径で形成されている。これにより、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２と高精度に一致させることが可能となり、起動時の短縮をより確実に図ることができる。
（第２実施形態）
次に、図９及び図１０を参照して第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成のものについては同一符号を付し、その説明を適宜省略する。第２実施形態に係る振動質量体１１は、第２翼部３２にも貫通孔（第２貫通孔３５）が形成されている構成が第１実施形態と相違する。

図９に示すように、センサ１０Ａは、第１及び第２翼部３１，３２が略同一形状をなす一方で穴径が異なる第１及び第２貫通孔３４，３５が各々に形成されている。第２翼部３２は、第２固定電極２６とＺ方向において対向する領域内に複数の第２貫通孔３５がマトリックス状に形成されている。第２貫通孔３５は、第２翼部３２のＺ方向で対向する２つの主面を貫通し、振動質量体１１の平面方向で切断した断面形状が円形をなす。

第２貫通孔３５は、第１貫通孔３４と同数だけ形成されている。また、図１０に示すように、第２貫通孔３５は、第１貫通孔３４の第１幅Ｌ１よりも大きい第２幅Ｌ２の大きさの穴径で形成されている。従って、振動質量体１１は、第１貫通孔３４の全面積が第２貫通孔３５の全面積に比べて小さくなっている。ここでいう全面積とは、平板状の振動質量体１１を平面に対して垂直な方向から見た場合における第１貫通孔３４と第２貫通孔３５との各々の開孔部の面積を合計した大きさをいう。なお、第１及び第２貫通孔３４，３５の形状・個数等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、振動質量体１１は、第１及び第２貫通孔３４，３５の各々を形成する間隔（ピッチ）が互いに異なる構成としもよく、互いの全面積が異なれば第１及び第２貫通孔３４，３５を他の構成に適宜変更してもよい。

次に、第１及び第２貫通孔３４，３５の全面積に係る条件について説明する。
まず、第１翼部３１は、第２翼部３２と略同一形状で形成され且つ第１貫通孔３４が第２貫通孔３５に比べて全面積が小さくなっていることから、第２翼部３２に比べて質量が大きくなる。このため、第１翼部３１に対してトーションバー１５からの距離に基づいて作用するモーメントは、第２翼部３２に対してトーションバー１５からの距離に基づいて作用するモーメントに比べて大きくなる。従って、センサ１０に作用するＺ方向に沿った加速度に応じて、第１翼部３１が基板１２へ近づく方向に回転し、第２翼部３２が基板１２から離れる方向に回転、即ち、図１０における反時計回り方向に回転する。

そこで、本実施形態のセンサ１０Ａでは、第２翼部３２に開孔される第２貫通孔３５が、第１実施形態の第１貫通孔３４の場合と同様に、開孔による平行平板容量分（電気力線４１）の減少を廻り込みの容量分（電気力線４２）で補う穴径（第２幅Ｌ２）で構成されている。また、第１及び第２翼部３１，３２の各々で、平行平板容量分の減少を廻り込みの容量分で完全に補うことの他、第１翼部３１での平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和が、第２翼部３２での平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和と同一、あるいは略同一となる全面積で構成されている。これにより、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２とが同一となる各貫通孔３４，３５が形成される。このような構成では、起動時において各翼部３１，３２に作用する静電気力を同一、あるいは略同一なものとすることができる。従って、好適には静電容量が一致することとなり起動時に振動質量体１１に生じる振動がなくなる。その結果、起動時間の短縮を図ることが可能となる。なお、センサ１０Ａは、電圧が印加されない状態での振動質量体１１の傾きを考慮して第１及び第２貫通孔３４，３５の穴径及び全面積が形成されることが好ましい。また、第１及び第２貫通孔３４，３５の全面積の条件は、各貫通孔３４，３５の第１及び第２幅Ｌ１，Ｌ２などを変更しシミュレーション等を実施することにより決定できる。

以上、上記した第２実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）センサ１０は、第１翼部３１に形成される第１貫通孔３４の穴径の第１幅Ｌ１と、第２翼部３２に形成される第２貫通孔３５の穴径の第２幅Ｌ２が異なる。第１及び第２貫通孔３４，３５は、全面積が互いに異なる。第２貫通孔３５は、第１貫通孔３４と同様に、開孔による平行平板容量分（電気力線４１）の減少を廻り込みの容量分（電気力線４２）で補う穴径で構成されている。そして、各貫通孔３４，３５は、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２とが同一となるように、第１及び第２翼部３１，３２での平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和が互いに同一になる全面積の大きさで構成されている。このような構成では、起動時において各翼部３１，３２に作用する静電気力を同一なものとすることができ、起動時に振動質量体１１に生じる回転トルクをなくして起動時間の短縮を図ることが可能となる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記各実施形態では、センサ１０，１０Ａを加速度が検出可能な静電容量型のセンサとして構成したが、他の物理量（例えば角速度）が検出可能な構成としてもよい。

また、例えば、第１及び第２固定電極２５，２６に第１及び第２貫通孔３４，３５の穴径及び全面積の差に応じたスリットを各固定電極２５，２６に形成してもよい。例えば、図１１に示すように、センサ１０Ｂには、第２固定電極２６にスリット３０１が形成されている。スリット３０１は、任意のＸ方向の幅でＹ方向に沿って第２固定電極２６のＹ方向の両端部を結ぶように形成されている。また、スリット３０１は、Ｘ方向において所定の間隔を間に設けて複数形成されている。なお、スリット３０１の形状・個数・位置等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、スリット３０１に替えて第２固定電極２６に複数の開孔（貫通孔）を形成してもよい。

ここで、センサ１０Ｂでは、第１翼部３１のみに第１貫通孔３４が形成されており、第２静電容量Ｃ２が第１静電容量Ｃ１に比べて相対的に増大する可能性が高くなる。そこで、センサ１０Ｂは、第１静電容量Ｃ１と第２静電容量Ｃ２との差を補償するために、第２固定電極２６にスリット３０１が形成されている。第１翼部３１に第１貫通孔３４が形成される場合には、第１静電容量Ｃ１が第１翼部３１と第１固定電極２５との平行平板容量分と廻り込みの容量分とで構成される。これに対し、第２翼部３２と第２固定電極２６とが、第１翼部３１と第１固定電極２５と同様の構成であるため、第２固定電極２６に対してスリット３０１が設けられている。これにより、第２静電容量Ｃ２についても、平行平板容量分と廻り込みの容量分とで構成される。この時、第２固定電極２６に形成されるスリット３０１を第１貫通孔３４の穴径（第１幅Ｌ１）等に対応して形成してやれば、平行平板容量分の減少分と廻り込みの容量分での補填分との和を第１翼部３１と第２翼部３２とで同一に調整できる。その結果、両静電容量Ｃ１，Ｃ２を同一とすることが容易となり起動時の短縮を容易に図ることができる。

なお、上記した第２実施形態のセンサ１０Ａにおいて、第１固定電極２５にスリット３０１を設けた構成としてもよい。詳述すると、センサ１０Ａでは、第１貫通孔３４の穴径が第２貫通孔に比べて小さく、第１翼部３１が第１固定電極２５と対向する面の面積が、第２翼部３２が第２固定電極２６と対向する面の面積に比べて相対的に大きくなり平行平板の容量分が大きくなる。更に、各貫通孔３４，３５による廻り込みの容量分の増分と平行平板の容量分の減少との関係は前述したとおり、穴径（第１及び第２幅Ｌ１，Ｌ２）が大きいほど減少分が支配的になるので、穴径が大きい第２貫通孔３５が開孔されている第２翼部３２においては、廻り込みの容量分による補填はより不十分なものとなる。この点からも第１静電容量の方が大きな値となる可能性がある。その結果、第１静電容量Ｃ１が第２静電容量Ｃ２に比べて増大する可能性が高くなる。このような構成のセンサ１０Ａにスリット３０１を設ける場合には、静電容量が相対的に増大する可能性が高い第１固定電極２５に対し第１貫通孔３４と第２貫通孔３５との全面積の差に基づいた大きさのスリット３０１等を形成することが好ましい。このような構成においても上記した効果と同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施形態では、第１及び第２翼部３１，３２を、平面視における外縁の形状が同一形状となるように構成したが、これに限定されない。例えば、図１２のセンサ１０Ｃのように、第１翼部３１のＸ方向の幅を第２翼部３２に比べて大きくしてもよい。この場合、第２翼部３２にのみ第２貫通孔３５が形成されている。つまり、センサ１０Ｃでは、貫通孔が形成されずに質量が相対的に大きくなる第１翼部３１を第２翼部３２に比べて大きくなるように構成している。このような構成では、第１翼部３１に作用するモーメントを第２翼部３２に比べてより大きくし、センサ１０Ｃに作用する同一の加速度に対する振動質量体１１の回転方向への変化量がより大きくなることによって、感度を向上させることができる。

なお、この場合、電圧を印加していない状態での振動質量体１１の傾きがより大きくなることが予想されるため、この傾きを加味して第２貫通孔３５を形成することが好ましい。また、第１固定電極２５の回転軸線からの距離と、第２固定電極２６の回転軸線からの距離を同一とすることが好ましい。

また、上記実施形態では、特に言及していないが、振動質量体１１を、窒素等の媒体が充填されたケース内に収納する構成としてもよい。この場合には、各貫通孔３４，３５内を流れる媒体によって生じる減衰トルクの大きさや差を含めて各貫通孔３４，３５の穴径や全面積を設定することが好ましい。

また、各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、支承部１４を複数備える構成としてもよい。また、例えば、振動質量体１１の回転にともなって枠部１３内で空気や媒体が圧縮されないように、枠部１３に対し通気用の貫通孔が形成された構成、あるいは枠部１３を一部が切り欠かれた構成等にしてもよい。

ちなみに、センサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、静電容量型センサの一例として、振動質量体１１は、振動質量体の一例として、基板１２は、基板の一例として、支承部１４は、支承部の一例として、トーションバー１５は、トーションバーの一例として、第１固定電極２５，２１１は、第１固定電極の一例として、第２固定電極２６，２１２は、第２固定電極の一例として、第１翼部３１，２２０は、第１翼部の一例として、第２翼部３２，２２２は、第２翼部の一例として、第１貫通孔３４，２１９は、第１貫通孔の一例として、第２貫通孔３５は、第２貫通孔の一例として、第１静電容量Ｃ１は、第１静電容量型の一例として、第２静電容量Ｃ２は、第２静電容量の一例として挙げられる。

１０静電容量型センサ、１１振動質量体、１２基板、１４支承部、１５トーションバー、２５，２５第１及び第２固定電極、３１，３２第１及び第２翼部、３４，３５第１及び第２貫通孔、Ｃ１，Ｃ２第１及び第２静電容量。

Claims

基板と、
前記基板に対して固定される支承部に設けられるトーションバーと、
前記トーションバーの延設方向を回転軸線として回転可能に設けられ前記基板と離間し基板平面に対向する位置に設けられる平板状の振動質量体と、
前記振動質量体の前記回転軸線を間に挟んだ位置の各々に設けられる第１及び第２翼部と、
前記基板上に設けられ前記第１翼部に対向し、前記第１翼部との間の第１静電容量の変化量が出力される第１固定電極と、
前記基板上に設けられ前記第２翼部に対向し、前記第２翼部との間の第２静電容量の変化量が出力される第２固定電極と、
前記第１翼部に設けられ前記平板状の前記振動質量体の２つの主面の間を貫通する複数の第１貫通孔と、
を備え、
前記第１貫通孔は、前記第１静電容量が前記第２静電容量と略同一の静電容量となる穴径を有し、
前記第１翼部及び前記第１固定電極と、前記第２翼部及び前記第２固定電極との各々の間に電圧を印加しない状態において、前記第１翼部と前記第２翼部とに生じるモーメントによって前記振動質量体が傾いた場合の前記第１静電容量と前記第２静電容量との変化量を加味した大きさの前記穴径が設定されることを特徴とする静電容量型センサ。
前記第２翼部に設けられ前記振動質量体の前記２つの主面の間を貫通し、前記第１貫通孔と異なる全面積で形成される複数の第２貫通孔を備え、
前記第１及び第２貫通孔の各々は、前記第１静電容量と前記第２静電容量とが略同一の静電容量となる前記全面積の大きさで形成されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
前記第２固定電極は、前記第１貫通孔に対応する開孔あるいはスリットが形成されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
前記第１貫通孔は、前記第２貫通孔に比べて小さい前記全面積で形成され、
前記第１固定電極は、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔との前記全面積の差に基づいた大きさの開孔あるいはスリットが形成されることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型センサ。
前記第１翼部と前記第２翼部とは、略同一形状で構成され、
前記第１固定電極と前記第２固定電極とは、略同一形状で構成され、前記回転軸線から同一距離となる前記基板上に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の静電容量型センサ。