JPWO2014061099A1 - 慣性センサ - Google Patents
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Abstract
LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺して、慣性センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制する技術である。静電容量型のMEMS加速度センサ100であって、可動部104、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aとのP側第1電極対、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bとのP側第2電極対、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aとのN側第1電極対、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bとのN側第2電極対を有する構成において、可動部104はこの可動部104の内側に設けられた固定部101の1点で支持され、さらに、可動部104の固定部101と検出用固定電極106aの固定部107と検出用固定電極106bの固定部108と検出用固定電極110aの固定部111と検出用固定電極110bの固定部112とはMEMS加速度センサ100の検出方向115と垂直な直線116上に配置され、さらに、可動部104の固定部101に対し、一方にP側第1電極対とN側第1電極対とが設けられ、他方にP側第2電極対とN側第2電極対とが設けられている。
Description
本発明は、慣性センサに関する。より具体的には、物体に働く慣性力に起因し検出軸を持つ物理量を検出する慣性センサに適用して有効な技術に関するものである。
本技術分野の背景技術として、特表2010−513888号公報(特許文献1)がある。この特許文献1には、一軸方向に変位する可動部(弾性波質量体)と、可動部に接続された可動電極と、基板と接続された固定電極から構成される櫛の歯状電極を有し、基板の中央領域に全ての固定領域が配置された加速度センサ構造が記載されている。この加速度センサ構造においては、可動部の変位方向に対し、可動部に接続された可動電極と、基板と接続された固定電極から構成される櫛の歯状電極が平行に配置され、オーバーラップ領域において櫛の歯状電極はコンデンサを構成している。
一般に広く利用されるMEMS慣性センサ(センサモジュールとも呼ぶ)は、錘(可動部)とその錘を支持する梁(弾性変形部)とで構成される機械素子を備える。MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板(MEMSエレメントとも呼ぶ)に対し、一軸方向に変位可能な梁で錘を支え、基板に印加された加速度によって錘が変位した量を、LSI回路で電気信号に変換するものが加速度センサ装置である。
この加速度センサ装置において、錘の変位した量は、錘に接続されている可動電極と、基板に接続されている固定電極より形成されるコンデンサの容量変動値として検出できる。コンデンサの対向面積をS、コンデンサを形成する電極間距離をd、コンデンサを形成する電極間を充填する物体の誘電率をεとすると、加速度が印加されていない場合のコンデンサの容量はC=εS/dと表せる。
また、平行平板型のコンデンサにおいて、加速度を印加することによりコンデンサの電極間距離を縮める方向に錘が変位する量をΔdとすると、加速度の印加による錘の変位量Δdが電極間距離dに対して十分に小さい場合、加速度の印加によるコンデンサの容量変動はΔC/C≒Δd/dと表せる。つまり、コンデンサの容量値の変動は、MEMS慣性センサに印加された加速度に比例している。このコンデンサの容量値の変動をLSI回路で電気信号に変換し、出力する。
しかし、加速度の印加による錘の変位以外であっても、コンデンサの容量値が変動する場合がある。このような場合の例を、<オフセット変動の原因>、<オフセット変動のデメリット>として、以下において説明する。
<オフセット変動の原因>
MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板は、LSI回路の基板とともに、接着剤などでパッケージに固定される。この場合のパッケージとは、セラミックス材料により、あらかじめ形状が成型されているものである。慣性センサは、通常、一定の温度に維持されることなく、たとえば車載用途であれば、−45℃から125℃の温度範囲で使用される。MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板と、接着剤およびパッケージ材料の熱膨張係数は異なるため、MEMS慣性センサのパッケージが設置される環境の温度が変動すると、MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板には歪みが発生する。この歪みにより、錘に接続されている可動電極と、基板に接続されている固定電極の相対距離が変動する。つまり、加速度が印加されない場合でも、慣性センサが設置される環境の温度が変動すると、コンデンサの容量値が変動し、慣性センサの出力が現れる。これをゼロ点オフセットと呼び、温度変動によるゼロ点オフセットが小さいものが、加速度センサとしては望ましい。
MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板は、LSI回路の基板とともに、接着剤などでパッケージに固定される。この場合のパッケージとは、セラミックス材料により、あらかじめ形状が成型されているものである。慣性センサは、通常、一定の温度に維持されることなく、たとえば車載用途であれば、−45℃から125℃の温度範囲で使用される。MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板と、接着剤およびパッケージ材料の熱膨張係数は異なるため、MEMS慣性センサのパッケージが設置される環境の温度が変動すると、MEMS慣性センサの機械素子が形成された基板には歪みが発生する。この歪みにより、錘に接続されている可動電極と、基板に接続されている固定電極の相対距離が変動する。つまり、加速度が印加されない場合でも、慣性センサが設置される環境の温度が変動すると、コンデンサの容量値が変動し、慣性センサの出力が現れる。これをゼロ点オフセットと呼び、温度変動によるゼロ点オフセットが小さいものが、加速度センサとしては望ましい。
また、近年、MEMS慣性センサをパッケージングする際のコスト低減のため、トランスファ・モールド工程を用いた製造プロセスが着目されている。トランスファ・モールド工程とは、以下のような製造プロセスである。まず、MEMS慣性センサが形成された基板とLSI回路とリードフレームを金型の中に設置し、次に、温めた樹脂を高圧により射出し、金型の中に充填する。そして、この樹脂が、冷却され固まることで、MEMS慣性センサが形成された基板とLSI回路とリードフレームを固定するモールド樹脂パッケージになる。このトランスファ・モールド工程は、従来のセラミックパッケージ工程よりも量産性が高く、慣性センサの製造コストを低減する上で有効なプロセスである。
しかし、構成材料である樹脂は、吸湿により体積が膨張し、また乾燥により体積が収縮する特徴がある。パッケージが設置される環境の湿度が変動すると、パッケージ構成材料の膨張と収縮により、内部に設置されたMEMS慣性センサが形成された基板には歪みが発生する。この歪みにより、錘に接続されている可動電極と、基板に接続されている固定電極の相対距離が変動する。つまり、加速度が印加されない場合でも、慣性センサが設置される環境の湿度が変動すると、コンデンサの容量値が変動し、慣性センサの出力が現れ、ゼロ点オフセットが発生する。
<オフセット変動のデメリット>
温度変動によるゼロ点オフセットの発生や、湿度変動によるゼロ点オフセットの発生は、LSI回路で補正することができる。しかし、LSI回路に温度センサや湿度センサを搭載すると、搭載面積分だけチップ面積が増大し、材料費が増大し、LSI回路の製造コストが高くなる。また、補正演算回路を追加して機能を複雑化すると、LSI回路の開発期間が長くなり、製造コストが高くなる。また、補正演算を成立させるため、慣性センサの出荷前検査時に補正調整工程を追加すると、調整費用と調整時間が増大し、慣性センサの製造コストが高くなるデメリットがある。
温度変動によるゼロ点オフセットの発生や、湿度変動によるゼロ点オフセットの発生は、LSI回路で補正することができる。しかし、LSI回路に温度センサや湿度センサを搭載すると、搭載面積分だけチップ面積が増大し、材料費が増大し、LSI回路の製造コストが高くなる。また、補正演算回路を追加して機能を複雑化すると、LSI回路の開発期間が長くなり、製造コストが高くなる。また、補正演算を成立させるため、慣性センサの出荷前検査時に補正調整工程を追加すると、調整費用と調整時間が増大し、慣性センサの製造コストが高くなるデメリットがある。
このような課題に対し、たとえば前述した特許文献1に示される先行技術がある。この特許文献1の技術では、可動部が加速度を印加されることで一軸方向に変位すると、櫛の歯状電極により構成されるコンデンサのオーバーラップ長が変動し、コンデンサの容量値が変動するため、この容量変動値を測定することで可動部に印加された加速度を知ることができる。この特許文献1では、基板の中央領域に全ての固定領域を配置することで、基板湾曲および類似の変形に対する高い不感度が得られる、つまり、オフセット変動を抑制することができる。
しかしながら、前述した特許文献1の先行技術に関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。以下において、<課題>、<理由>として説明する。
<課題>
前述した特許文献1に記載された加速度センサ構造は、本来測定したい加速度検出軸以外の方向に加速度が印加された場合、ノイズ出力を抑制できない可能性がある。特に、加速度センサの可動部が形成された基板に対して、垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が印加された場合に、顕著にノイズ出力を抑制できない可能性がある。
前述した特許文献1に記載された加速度センサ構造は、本来測定したい加速度検出軸以外の方向に加速度が印加された場合、ノイズ出力を抑制できない可能性がある。特に、加速度センサの可動部が形成された基板に対して、垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が印加された場合に、顕著にノイズ出力を抑制できない可能性がある。
<理由>
この可動部は、機械素子であるため、計測信号以外の加速度、たとえば、垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が印加された場合であっても変位する場合がある。垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が入力して変位すると、全ての櫛の歯状電極により構成されるコンデンサのオーバーラップ長は一斉に増大、もしくは一斉に減少する。つまり、全ての櫛の歯状電極により構成されるコンデンサの容量値は一斉に増大、もしくは一斉に減少する。つまり、個別の櫛の歯状電極により構成されるコンデンサの容量値の合計は、可動部の固定領域に対して右側のコンデンサであっても、可動部の固定領域に対して左側のコンデンサであっても、一斉に増大、もしくは一斉に減少する。このような変動もLSI回路によって電気信号に変換されてしまうため、当該電気信号がノイズとなって慣性センサの精度低下をもたらす場合がある。
この可動部は、機械素子であるため、計測信号以外の加速度、たとえば、垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が印加された場合であっても変位する場合がある。垂直方向の回転軸を持つような回転型の加速度が入力して変位すると、全ての櫛の歯状電極により構成されるコンデンサのオーバーラップ長は一斉に増大、もしくは一斉に減少する。つまり、全ての櫛の歯状電極により構成されるコンデンサの容量値は一斉に増大、もしくは一斉に減少する。つまり、個別の櫛の歯状電極により構成されるコンデンサの容量値の合計は、可動部の固定領域に対して右側のコンデンサであっても、可動部の固定領域に対して左側のコンデンサであっても、一斉に増大、もしくは一斉に減少する。このような変動もLSI回路によって電気信号に変換されてしまうため、当該電気信号がノイズとなって慣性センサの精度低下をもたらす場合がある。
また、電気信号がLSI回路で取り扱える範囲を超えていた場合、すなわち、LSI回路が飽和を起こしてしまった場合には、当該電気信号は、本来計測したい信号が飽和信号に埋もれてしまうことによる慣性センサの機能停止をもたらす場合もある。
このような、計測信号以外の加速度の印加による慣性センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制するためには、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺すればよい。
そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その代表的な目的は、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺して、慣性センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制する技術を提供することである。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、代表的な慣性センサは、静電容量型の慣性センサであって、以下のような特徴を有するものである。前記慣性センサは、可動部と、前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第1電極対と、前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第2電極対と、前記可動部の検出軸の負方向変位に対して容量値が減少する負方向第1電極対と、前記可動部の検出軸の負方向変位に対して容量値が減少する負方向第2電極対と、を有する。
そして、前記可動部は、該可動部の内側に設けられた固定部の1点で支持されている。さらに、前記可動部の固定部と、前記正方向第1電極対の固定部と、前記正方向第2電極対の固定部と、前記負方向第1電極対の固定部と、前記負方向第2電極対の固定部とは、前記慣性センサの検出方向と垂直な直線上に配置されている。さらに、前記可動部の固定部に対し、一方に前記正方向第1電極対と前記負方向第1電極対とが設けられ、他方に前記正方向第2電極対と前記負方向第2電極対とが設けられていることを特徴とする。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
すなわち、代表的な効果は、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺して、慣性センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制することができる。
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップなども含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
[実施の形態の概要]
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態の概要では、一例として、括弧内に各実施の形態の対応する構成要素および符号を付して説明する。
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態の概要では、一例として、括弧内に各実施の形態の対応する構成要素および符号を付して説明する。
実施の形態の代表的な慣性センサは、静電容量型の慣性センサであって、以下のような特徴を有するものである。前記慣性センサは、可動部(可動部104,504,704)と、前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第1電極対(検出用可動電極105a,505a,705aと検出用固定電極106a,506a,706aとのP側第1電極対)と、前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第2電極対(検出用可動電極105b,505b,705bと検出用固定電極106b,506b,706bとのP側第2電極対)と、前記可動部の検出軸の負方向変位に対して容量値が減少する負方向第1電極対(検出用可動電極109a,509a,709aと検出用固定電極110a,510a,710aとのN側第1電極対)と、前記可動部の検出軸の負方向変位に対して容量値が減少する負方向第2電極対(検出用可動電極109b,509b,709bと検出用固定電極110b,510b,710bとのN側第2電極対)と、を有する。
そして、前記可動部は、該可動部の内側に設けられた固定部(固定部101,501,701)の1点で支持されている。さらに、前記可動部の固定部(固定部101,501,701)と、前記正方向第1電極対の固定部(固定部107,507,707)と、前記正方向第2電極対の固定部(固定部108,508,708)と、前記負方向第1電極対の固定部(固定部111,511,711)と、前記負方向第2電極対の固定部(固定部112,512,712)とは、前記慣性センサの検出方向と垂直な直線(検出方向115,515,715と垂直な直線116,516,716)上に配置されている。さらに、前記可動部の固定部に対し、一方に前記正方向第1電極対と前記負方向第1電極対とが設けられ、他方に前記正方向第2電極対と前記負方向第2電極対とが設けられていることを特徴とする。
以下、上述した実施の形態の概要に基づいた各実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として対応する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、全図において、平面図と断面図とに共通に、同一の部材には原則として同一のハッチングを付して、各構成要素を区別して見やすくする。
本実施の形態においては、慣性センサとして、MEMS加速度センサを例に挙げて説明する。本実施の形態における慣性センサは、これに限らず、物体に働く慣性力に起因し検出軸を持つ物理量を検出する慣性センサに適用できるものである。
[実施の形態1]
実施の形態1におけるMEMS加速度センサについて、図1〜図11を用いて説明する。
実施の形態1におけるMEMS加速度センサについて、図1〜図11を用いて説明する。
<MEMS加速度センサの平面構成>
まず、図1を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図1は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図1は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。なお、図1のような平面構成のMEMS加速度センサを、MEMS加速度センサ素子と呼ぶこともある。また、以下においては、MEMS加速度センサあるいはMEMS加速度センサ素子を、単に、加速度センサ、センサ素子などと記述する場合もある。
まず、図1を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図1は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図1は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。なお、図1のような平面構成のMEMS加速度センサを、MEMS加速度センサ素子と呼ぶこともある。また、以下においては、MEMS加速度センサあるいはMEMS加速度センサ素子を、単に、加速度センサ、センサ素子などと記述する場合もある。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ100は、静電容量型の加速度センサであり、基板上に形成された構造体として、固定部101、剛体102、梁103a,103b、可動部104、検出用可動電極(P側)105a,105b、検出用固定電極(P側)106a,106b、固定部107、固定部108、検出用可動電極(N側)109a,109b、検出用固定電極(N側)110a,110b、固定部111、固定部112などから構成される。なお、梁103a,103bは、ばね、弾性変形部などとも呼ぶ。また、可動部104は、可動部質量体などとも呼ぶ。また、検出用可動電極105a,105b,109a,109bは、検出電極可動部などとも呼び、検出用固定電極106a,106b,110a,110bは、検出電極固定部などとも呼ぶ。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ100は、図1に示すように、基板に、固定部101が設けられており、この固定部101には、検出軸方向(図1のy方向)に伸びる剛体102が接続され、さらに剛体102からは検出軸方向に変形する上側の梁103aと下側の梁103bに接続されている。そして、上側の梁103aと下側の梁103bは、MEMS加速度センサ100の錘となる可動部104と接続されている。つまり、固定部101は基板に支持され、この固定部101と可動部104は弾性変形可能な梁103aと梁103bで接続されており、可動部104は、図1のy方向に変位できるようになっている。この図1のy方向が、MEMS加速度センサ100の検出方向115となる。なお、検出方向115は、検出軸方向などとも呼ぶ。
可動部104には、可動部104と一体に形成された検出用可動電極105a,105b,109a,109bが形成されており、この検出用可動電極105a,105b,109a,109bとそれぞれ対向するように、検出用固定電極106a,106b,110a,110bが形成されている。この検出用固定電極106a,106b,110a,110bは、それぞれ、固定部107,108,111,112を介して基板上に支持されている。この検出用固定電極106aの固定部107、検出用固定電極106bの固定部108、検出用固定電極110aの固定部111、および、検出用固定電極110bの固定部112と、可動部104を1点で支持する固定部101とは、MEMS加速度センサ100の検出方向115と垂直な直線116上に配置されている。
検出用可動電極105aと検出用固定電極106a、および、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、可動部104の固定部101を通る、加速度センサの検出方向115と垂直な直線116に対して、第1の方向(図1のy方向のプラス方向)に設置されている。すなわち、図1において、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aのP側第1電極対は右上の位置に配置され、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bのP側第2電極対は左上の位置に配置されている。この配置は、直線116に対して線対称となっている。
また、検出用可動電極109aと検出用固定電極110a、および、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bは、可動部104の固定部101を通る、加速度センサの検出方向115と垂直な直線116に対して、第1の方向とは異なる第2の方向(図1のy方向のマイナス方向)に設置されている。すなわち、図1において、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aのN側第1電極対は右下の位置に配置され、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bのN側第2電極対は左下の位置に配置されている。この配置は、直線116に対して線対称となっている。
さらに、図1においては、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aのP側第1電極対、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bのP側第2電極対、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aのN側第1電極対、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bのN側第2電極対は、それぞれ、2対ずつ設けられている。また、各電極対は、各検出用可動電極と各検出用固定電極との間の電極間距離により容量値が変動する対向型の平行平板形状から成る。なお、P側は、正方向、プラス方向などとも呼び、また、N側は、負方向、マイナス方向などとも呼ぶ。
これらの電極対において、検出用可動電極105aと検出用固定電極106a、あるいは、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が増加するようになっている。また、検出用可動電極109aと検出用固定電極110a、あるいは、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が減少するようになっている。つまり、この検出用可動電極105aと検出用固定電極106a、あるいは、検出用可動電極105bと検出用固定電極106b、あるいは、検出用可動電極109aと検出用固定電極110a、あるいは、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bから構成される容量素子は、可動部104のy方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
このように構成されたMEMS加速度センサ100の構造体は、シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって、互いに梁103a,103bと、剛体102を介して接続されている固定部101と可動部104とは電気的に接続されており、可動部104に印加される電位は、固定部101に接続する貫通電極やワイヤボンディング配線から供給されるように構成されている。一方、検出用固定電極106aの固定部107、検出用固定電極106bの固定部108、検出用固定電極110aの固定部111、および、検出用固定電極110bの固定部112も、それぞれ貫通電極やワイヤボンディング配線が接続されており、可動部104がy方向に変位することで生じる容量変化により、検出用固定電極106a,106bや検出用固定電極110a,110bに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
このMEMS加速度センサ100の構造体において、可動部104は、四角形の外周枠と内周枠とを有する枠体から形成されている。固定部101で支持された剛体102は、図1のy方向に長い長方形で形成されている。梁103a,103bは、図1のx方向に長い長方形の枠体から形成されている。そして、可動部104の枠体の内周枠に梁103a,103bの枠体の外周枠がそれぞれ1点で連結され、さらに、対向側において、梁103a,103bの枠体の外周枠が剛体102の長方形の短辺にそれぞれ1点で連結されている。
また、可動部104の枠体の内側、すなわち枠体の内周枠より内側(枠体の内側の空間内)には、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aのP側第1電極対、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bのP側第2電極対、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aのN側第1電極対、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bのN側第2電極対がそれぞれ配置されている。このうち、検出用可動電極105a,105b,109a,109bはそれぞれ、可動部104の枠体の内周枠から内側に突出した長方形で形成されている。検出用固定電極106a,106b,110a,110bはそれぞれ、固定部107,108,111,112で支持された直線状あるいはL字状の部材に、検出用可動電極105a,105b,109a,109bに対向するように、突出した長方形で形成されている。
<MEMS加速度センサの回路構成>
続いて、図2を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの回路構成について説明する。図2は、このMEMS加速度センサの回路構成の一例を示す回路図である。
続いて、図2を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの回路構成について説明する。図2は、このMEMS加速度センサの回路構成の一例を示す回路図である。
図2に示すように、MEMS加速度センサは、機械素子が形成されたセンサチップ170、検出回路としての容量−電圧(CV)変換回路140、差動検出回路145、搬送波印加回路130、復調回路150、出力端子160などから構成される。
センサチップ170の上には、図1に示した基板上に形成された構造体(可動部104、梁103a,103b、剛体102、検出用可動電極105a,105b,109a,109b、検出用固定電極106a,106b,110a,110bなど)が形成されている。ここでは、容量素子を形成する、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aのP側第1電極対(容量素子CP1)、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bのP側第2電極対(容量素子CP2)、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aのN側第1電極対(容量素子CN1)、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bのN側第2電極対(容量素子CN2)を図示している。
このセンサチップ170により、容量素子CP1,CP2,CN1,CN2の容量値の変化を検出する。このセンサチップ170からは、容量素子CP1と容量素子CP2の容量値変化の検出信号143と、容量素子CN1と容量素子CN2の容量値変化の検出信号144が出力される。そして、センサチップ170からの容量値変化の検出信号143,144は、それぞれ、センサチップ170の外部にあるCV変換回路140のオペアンプ141,142の負入力端子(−)に入力される。このオペアンプ141,142の正入力端子(+)はグランドに接続されている。また、オペアンプ141,142の負入力端子(−)と出力端子との間には、容量素子Cfが接続されている。
そして、CV変換回路140では、センサチップ170からの容量値変化の検出信号143,144を電圧変化に変換し、さらに、この電圧の変化量を差動検出回路145にて検出する。さらに、差動検出回路145からの電位差信号146を、搬送波印加回路130と復調回路150によって生成・復調される搬送波により計測し、可動部104の変位量に換算して出力端子160より出力することができる。
以下において、このMEMS加速度センサにおいて、<<加速度入力の場合>>と<<回転ノイズ入力の場合>>を、前述した図2を参照しながら、図3を用いて説明する。図3は、このMEMS加速度センサに加速度(検出方向+加速度印加)および回転ノイズ(回転Ω+振動ノイズ)が入力された場合の各電極における信号の増減の一例を示す説明図である。この図3において、δは変化量を示し、また、+は増加、−は減少をそれぞれ示す。
<<加速度入力の場合>>
検出用可動電極105aと検出用固定電極106aは、容量素子CP1を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP1の容量が増加(+δ)するようになっている。また、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、容量素子CP2を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP2の容量が増加(+δ)するようになっている。
検出用可動電極105aと検出用固定電極106aは、容量素子CP1を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP1の容量が増加(+δ)するようになっている。また、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、容量素子CP2を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP2の容量が増加(+δ)するようになっている。
この容量素子CP1と容量素子CP2は、ワイヤボンディングおよび貫通電極配線などの電気的な手段により接続され、演算回路であるCV変換回路140の入力より前段にて合計され、容量値CPとなる。よって、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量値CPは、容量素子CP1の容量変動値(+δ)と容量素子CP2の容量変動値(+δ)が加算されて2倍(+2δ)となる。
また、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aは、容量素子CN1を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CN1の容量が減少(−δ)するようになっている。また、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bは、容量素子CN2を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CN2の容量が減少(−δ)するようになっている。
この容量素子CN1と容量素子CN2は、ワイヤボンディングおよび貫通電極配線などの電気的な手段により接続され、演算回路であるCV変換回路140の入力より前段にて合計され、容量値CNとなる。よって、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位すると、図3に示すように、この容量値CNは、容量素子CN1の容量変動値(−δ)と容量素子CN2の容量変動値(−δ)が加算されて2倍(−2δ)となる。
それぞれのコンデンサの容量値の変化を、センサチップ170の外部にあるCV変換回路140によって電圧変化に変換し、電圧の変化量を差動検出回路145にて検出し、この電位差を、搬送波印加回路130と復調回路150によって生成・復調される搬送波により計測し、可動部104の変位量に換算して出力端子160より出力される。
以上により、外部から印加された加速度によって可動部104が検出軸(検出方向115)のプラス方向(図1のy正方向)に変位したときの出力端子(Vout)からの出力は、図3に示すように、(+2δ)と(−2δ)の差動演算により(+4δ)となる。すなわち、変化量のプラス4倍の出力信号が得られる。
<<回転ノイズ入力の場合>>
一方、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aは、容量素子CP1を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP1の容量が増加(+δ)するようになっている。また、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、容量素子CP2を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP2の容量が減少(−δ)するようになっている。
一方、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aは、容量素子CP1を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP1の容量が増加(+δ)するようになっている。また、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bは、容量素子CP2を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CP2の容量が減少(−δ)するようになっている。
この容量素子CP1と容量素子CP2は、ワイヤボンディングおよび貫通電極配線などの電気的な手段により接続され、演算回路であるCV変換回路140の入力より前段にて合計され、容量値CPとなる。よって、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量値CPは、容量素子CP1の容量変動値(+δ)と容量素子CP2の容量変動値(−δ)で相殺されてゼロ(0)となる。
また、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aは、容量素子CN1を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CN1の容量が減少(−δ)するようになっている。また、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bは、容量素子CN2を形成しており、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量素子CN2の容量が増加(+δ)するようになっている。
この容量素子CN1と容量素子CN2は、ワイヤボンディングおよび貫通電極配線などの電気的な手段により接続され、演算回路であるCV変換回路140の入力より前段にて合計され、容量値CNとなる。よって、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位すると、図3に示すように、この容量値CNは、容量素子CN1の容量変動値(−δ)と容量素子CN2の容量変動値(+δ)で相殺されてゼロ(0)となる。
それぞれのコンデンサの容量値の変化は、センサチップ170の外部にあるCV変換回路140によって電圧変化に変換し、電圧の変化量を差動検出回路145にて検出し、この電位差を、搬送波印加回路130と復調回路150によって生成・復調される搬送波により計測し、可動部104の変位量に換算して出力端子160より出力される。
以上により、外部から印加された加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位したときの出力端子(Vout)からの出力は、図3に示すように、(0)と(0)の差動演算により(0)となる。このように、外部から印加された回転型の加速度によって可動部104が図1の紙面垂直方向の反時計回り方向(図1のz正方向が回転軸)に変位する場合、機械素子が構成されたセンサチップ170の内部で容量値の変動は相殺され、演算回路に信号が入力されることがない。
つまり、電気信号がLSI回路で取り扱える範囲を超える場合、すなわち、LSI回路が飽和を起こしてしまう場合を想定する必要がないため、当該電気信号は、本来計測したい信号が飽和信号に埋もれてしまうことによる加速度センサの機能停止をもたらすことがない。つまり、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺することにより、計測信号以外の加速度の印加による加速度センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制することができる。
<MEMS加速度センサの断面構成>
続いて、図4および図5を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの断面構成について説明する。図4および図5は、このMEMS加速度センサの断面構成の一例を示す断面図であり、それぞれ、図4は基板に変形が発生していない場合、図5は基板に変形が発生した場合を示す。
続いて、図4および図5を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの断面構成について説明する。図4および図5は、このMEMS加速度センサの断面構成の一例を示す断面図であり、それぞれ、図4は基板に変形が発生していない場合、図5は基板に変形が発生した場合を示す。
<<基板に変形が発生していない場合>>
図4は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生していない場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図4の断面図は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図1中のA−A’に示した直線における断面、(b)は図1中のB−B’に示した直線における断面に対応している。
図4は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生していない場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図4の断面図は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図1中のA−A’に示した直線における断面、(b)は図1中のB−B’に示した直線における断面に対応している。
図4(a)に示すように、基板113に、固定部101が設けられており、この固定部101には、検出軸方向(図4のy方向)に伸びる剛体102が接続され、さらに剛体102からは検出軸方向に変形する梁103aと梁103bに接続されている。そして、梁103aと梁103bは、MEMS加速度センサの錘となる可動部104と接続されている。そして、固定部101と基板113は、可動部104の中心近く(図1に示した検出方向(検出軸)115と垂直な直線116上)に1点で固定されている。
また、図4(b)に示すように、基板113に、固定部111が設けられており、この固定部111には、検出用固定電極110aが接続されている。この固定部111と基板113は、可動部104の中心近く(図1に示した検出方向(検出軸)115と垂直な直線116上)に1点で固定されている。
また、図4の紙面に垂直な方向には、図1に示した固定部107が設けられており、この固定部107には、検出用固定電極106aが接続されている。この固定部107と基板113も同様に、可動部104の中心近くに1点で固定されている。さらに同様に、図4の紙面に垂直な方向には、図1に示した固定部108,112が設けられており、この固定部108,112には、それぞれ、検出用固定電極106b,110bが接続されている。この固定部108,112と基板113も同様に、可動部104の中心近くに1点で固定されている。
<<基板に変形が発生した場合>>
続いて図5は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生した場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図5の断面図は、前述した図4と同様に、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図1中のA−A’に示した直線における断面、(b)は図1中のB−B’に示した直線における断面に対応している。また、この場合の基板の変形とは、A−A’、B−B’に沿って一定の曲率を描くものではなく、非線形に歪みが発生しているものである。
続いて図5は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生した場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図5の断面図は、前述した図4と同様に、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図1中のA−A’に示した直線における断面、(b)は図1中のB−B’に示した直線における断面に対応している。また、この場合の基板の変形とは、A−A’、B−B’に沿って一定の曲率を描くものではなく、非線形に歪みが発生しているものである。
図5(a)に示すように、基板113に設けられた固定部101は、基板113の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、検出軸方向(図5のy方向)に伸びる剛体102、および剛体102に接続された検出軸方向に変形する梁103aと梁103b、および梁103aと梁103bを介して接続された可動部104と、基板113との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、固定部101の設置された基板113の変形の局所的な曲率に依存する。
また、図5(b)に示すように、基板113に設けられた固定部111は、基板113の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、固定部111と基板113との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、固定部111の設置された基板113の変形の局所的な曲率に依存し、前述した可動部104の固定部101が設置された基板113の変形の局所的な曲率と同じものである。
また、図5の紙面に垂直な方向に設けられた、図1に示した固定部107,108,112も同様に、基板113の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、固定部107,108,112と基板113との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、固定部107,108,112の設置された基板113の変形の局所的な曲率に依存し、前述した可動部104の固定部101が設置された基板113の変形の局所的な曲率と同じものである。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサは、全ての固定部101,111,107,108,112が検出軸に対して垂直な直線116上に設置されている。よって、たとえば、基板113の変形に伴う固定の角度の変化は、図5(b)に示した固定部111の設置された基板113の変形の局所的な曲率に依存するため、全ての固定部に接続された部品が、基板113の非線形な変形に伴い、固定の角度を同等に変形する。つまり、MEMS加速度センサの検出軸方向に沿って、基板113がどのような変形をしたとしても、MEMS加速度センサの可動部104に設けられた検出用可動電極105a,105b,109a,109bと、固定部111や他の固定部107,108,112に接続されている検出用固定電極106a,106b,110a,110bなどは、基板113に対して全てが同等の角度に変形するため、互いの相対距離を変えることがない。
よって、基板113の変形に伴って、それぞれの検出用可動電極105a,105b,109a,109bと検出用固定電極106a,106b,110a,110bとの電極対より構成される容量値が変動することがない。これによって、本実施の形態におけるMEMS加速度センサは、基板113の変形に伴ってオフセット変動を示すことがない。
<従来技術のMEMS加速度センサの平面構成と断面構成>
以上、図1〜図5を用いて説明した本実施の形態におけるMEMS加速度センサに対して、本実施の形態の特徴を分かり易くするために、図6〜図8を用いて、従来技術で作成した典型的なMEMS加速度センサについて説明する。
以上、図1〜図5を用いて説明した本実施の形態におけるMEMS加速度センサに対して、本実施の形態の特徴を分かり易くするために、図6〜図8を用いて、従来技術で作成した典型的なMEMS加速度センサについて説明する。
<<従来技術のMEMS加速度センサの平面構成>>
図6は、従来技術におけるMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図6は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
図6は、従来技術におけるMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図6は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
従来技術におけるMEMS加速度センサ300は、基板に、2つの固定部301a,301bが設けられており、この固定部301a,301bには、検出軸方向(検出方向315、図6のy方向)に変形する梁303aと梁303bが接続されている。そして、梁303aと梁303bは、MEMS加速度センサ300の錘となる可動部304と接続されている。
可動部304には、可動部304と一体に形成された検出用可動電極305a,305b,309a,309bが形成されており、この検出用可動電極305a,305b,309a,309bと対向するように、検出用固定電極306a,306b,310a,310bが形成されている。
この検出用可動電極305aと検出用固定電極306a、あるいは、検出用可動電極305bと検出用固定電極306bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部304がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が増加するようになっている。また、検出用可動電極309aと検出用固定電極310a、あるいは、検出用可動電極309bと検出用固定電極310bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部304がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が減少するようになっている。つまり、この検出用可動電極305aと検出用固定電極306a、あるいは、検出用可動電極305bと検出用固定電極306b、あるいは、検出用可動電極309aと検出用固定電極310a、あるいは、検出用可動電極309bと検出用固定電極310bから構成される容量素子は、可動部304のy方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。
このように構成されたMEMS加速度センサ300の構造体は、シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって、互いに梁303a,303bを介して接続されている固定部301a,301bと可動部304とは電気的に接続されており、可動部304に印加される電位は、固定部301a,301bに接続する貫通電極やワイヤボンディング配線から供給されるように構成されている。一方、検出用固定電極306aの固定部307、検出用固定電極306bの固定部308、検出用固定電極310aの固定部311、および、検出用固定電極310bの固定部312も、それぞれ貫通電極やワイヤボンディング配線が接続されており、可動部304がy方向に変位することで生じる容量変化により、検出用固定電極306a,306bや検出用固定電極310a,310bに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。
<<従来技術のMEMS加速度センサの断面構成>>
続いて、図7および図8を用いて、従来技術におけるMEMS加速度センサの断面構成について説明する。図7および図8は、このMEMS加速度センサの断面構成の一例を示す断面図であり、それぞれ、図7は基板に変形が発生していない場合、図8は基板に変形が発生した場合を示す。
続いて、図7および図8を用いて、従来技術におけるMEMS加速度センサの断面構成について説明する。図7および図8は、このMEMS加速度センサの断面構成の一例を示す断面図であり、それぞれ、図7は基板に変形が発生していない場合、図8は基板に変形が発生した場合を示す。
<<<基板に変形が発生していない場合>>>
図7は、従来技術におけるMEMS加速度センサの、基板に変形が発生していない場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図7の断面図は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図6中のC−C’ に示した直線における断面、(b)は図6中のD−D’に示した直線における断面に対応している。
図7は、従来技術におけるMEMS加速度センサの、基板に変形が発生していない場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図7の断面図は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図6中のC−C’ に示した直線における断面、(b)は図6中のD−D’に示した直線における断面に対応している。
図7(a)に示すように、基板313に、2箇所の固定部301a,301bが設けられており、この固定部301a,301bからは、検出軸方向(図7のy方向)に変形する梁303aと梁303bに接続されている。そして、梁303aと梁303bは、MEMS加速度センサの錘となる可動部304と接続されている。そして、固定部301a,301bと基板313は、可動部304の両端で、2点で固定されている。
また、図7(b)に示すように、基板313に、固定部307が設けられており、この固定部307には、検出用固定電極306aが接続されている。この固定部307と基板313は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向に、幅をもって固定されている。また、基板313に、固定部311が設けられており、この固定部311には、検出用固定電極310aが接続されている。この固定部311と基板313は、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向に、幅をもって固定されている。
<<<基板に変形が発生した場合>>>
続いて図8は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生した場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図8の断面図は、前述した図7と同様に、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図6中のC−C’ に示した直線における断面、(b)は図6中のD−D’に示した直線における断面に対応している。また、この場合の基板の変形とは、C−C’、D−D’に沿って一定の曲率を描くものではなく、非線形に歪みが発生しているものである。
続いて図8は、MEMS加速度センサの、基板に変形が発生した場合の断面構成の一例を示す断面図である。この図8の断面図は、前述した図7と同様に、MEMS加速度センサの検出軸に沿った方向であり、(a)は図6中のC−C’ に示した直線における断面、(b)は図6中のD−D’に示した直線における断面に対応している。また、この場合の基板の変形とは、C−C’、D−D’に沿って一定の曲率を描くものではなく、非線形に歪みが発生しているものである。
図8(a)に示すように、基板313に設けられた2箇所の固定部301a,301bは、基板313の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、検出軸方向(図8のy方向)に変形する梁303aと梁303bを介して接続された可動部304と、基板313との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、それぞれの固定部301a,301bの設置された基板313の変形の局所的な曲率に依存する。
また、図8(b)に示すように、基板313に設けられた固定部311は、基板313の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、固定部311と基板313との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、固定部311の設置された基板313の変形の局所的な曲率に依存し、前述した可動部304のそれぞれの固定部301a,301bが設置された基板313の変形の局所的な曲率と同じものであるとは限らない。
また、基板313に設けられた固定部307は、基板313の非線形な変形に伴って変形する。この場合の変形は、固定部307と基板313との固定の角度が変わるような変形である。固定の角度は、固定部307の設置された基板313の変形の局所的な曲率に依存し、前述した可動部304のそれぞれの固定部301a,301bが設置された基板313の変形の局所的な曲率、および前述した固定部311が設置された基板313の変形の局所的な曲率と、同じものであるとは限らない。
従来技術におけるMEMS加速度センサは、全ての基板313に対する固定部301a,301b,311,307,308,312が検出軸に対して分布をもって設置されている。基板313の変形に伴う固定の角度の変化は、それぞれの固定部の設置された基板313の変形の局所的な曲率に依存するため、全ての固定部に接続された部品が、基板313の非線形な変形に伴い、固定の角度が同等に変形するとは限らない。つまり、MEMS加速度センサの検出軸方向に沿って、基板313が非線形な変形をすると、MEMS加速度センサの可動部304に設けられた検出用可動電極305a,305b,309a,309bと、固定部311,307や他の固定部308,312に接続されている検出用固定電極306a,306b,310a,310bなどは、基板313に対して全てが同等の角度に変形するとは限らない。
よって、基板313の非線形な変形に伴い、互いの相対距離を変える可能性がある。つまり、基板313の変形に伴って、それぞれの検出用可動電極305a,305b,309a,309bと検出用固定電極306a,306b,310a,310bとの電極対より構成される容量値が変動する可能性がある。これによって、従来技術で作成した典型的なMEMS加速度センサは、基板313の変形に伴ってオフセット変動を示す可能性がある。
<本実施の形態のMEMS加速度センサと従来技術のMEMS加速度センサとの比較>
続いて、図9を用いて、前述(図1〜図5)した本実施の形態におけるMEMS加速度センサと、前述(図6〜図8)した従来技術におけるMEMS加速度センサとの比較について説明する。図9は、この本実施の形態におけるMEMS加速度センサと従来技術におけるMEMS加速度センサとの比較において、検出軸方向に生じる非線形な基板の変形に対する電極間距離の変動量、および、換算されるオフセット変動量(容量の変動量)の解析結果の一例を示すグラフである。
続いて、図9を用いて、前述(図1〜図5)した本実施の形態におけるMEMS加速度センサと、前述(図6〜図8)した従来技術におけるMEMS加速度センサとの比較について説明する。図9は、この本実施の形態におけるMEMS加速度センサと従来技術におけるMEMS加速度センサとの比較において、検出軸方向に生じる非線形な基板の変形に対する電極間距離の変動量、および、換算されるオフセット変動量(容量の変動量)の解析結果の一例を示すグラフである。
図9(a)において、横軸は支持基板の端点歪み量(相対値)を示し、縦軸は初期電極間距離に対する検出方向電極間距離の変動量(%)を示す。図9(b)において、横軸は支持基板の端点歪み量(相対値)を示し、縦軸は初期容量に対する容量の変動量(%)を示す。
従来技術におけるMEMS加速度センサ(従来構造)では、図9(a)に示すように、検出用固定電極および検出用可動電極は、検出軸方向に生じる非線形な基板の変形が加わると、基板の変形がない場合からの変動が、検出用固定電極と検出用可動電極とで異なる値で生じる。図9(a)の例では、たとえば、基板の歪み量(相対値)が「10」の場合は、検出用固定電極では「−55%」程度の変動量となり、検出用可動電極では「+20%」程度の変動量となる。その結果、検出用固定電極と検出用可動電極との相対距離の変動が発生する。
このような検出用固定電極と検出用可動電極との相対距離の変動の結果、図9(b)に示すように、検出用固定電極と検出用可動電極からなる電極対より構成される容量値の変動が発生し、オフセット変動が出現する。図9(b)の例では、たとえば、基板の歪み量(相対値)が「10」の場合は、容量の変動量は「5.0%」程度となる。
これに対して、本実施の形態におけるMEMS加速度センサ(本発明)では、図9(a)に示すように、検出用固定電極および検出用可動電極は、検出軸方向に生じる非線形な基板の変形が加わっても基板の変形がない場合からの変動量が少ない。図9(a)の例では、たとえば、基板の歪み量(相対値)が「10」の場合は、検出用固定電極および検出用可動電極では「+3%」程度の変動量しかない。
このような検出用固定電極と検出用可動電極との相対距離の変動が少ない結果、図9(b)に示すように、検出用固定電極と検出用可動電極からなる電極対より構成される容量値の変動が少なく、オフセット変動量が極めて少なくなっている。図9(b)の例では、たとえば、基板の歪み量(相対値)が「10」の場合は、容量の変動量は「−0.2%」程度しかない。
<本実施の形態のMEMS加速度センサのセンサチップの断面構成>
続いて、図10を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサのセンサチップの断面構成について説明する。図10は、このMEMS加速度センサのセンサチップの断面構成の一例を示す断面図である。図10においては、デバイス層上にキャップ基板と貫通電極を形成したセンサチップの断面図を示す。
続いて、図10を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサのセンサチップの断面構成について説明する。図10は、このMEMS加速度センサのセンサチップの断面構成の一例を示す断面図である。図10においては、デバイス層上にキャップ基板と貫通電極を形成したセンサチップの断面図を示す。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサのセンサチップ170において、このMEMS加速度センサのセンサ素子は、基板113に固定されたデバイス層127に形成されている。このデバイス層127に形成されているセンサ素子には、前述(図1など)した、可動部104と、この可動部104を支持する固定部101と、可動部104に形成された検出用可動電極105a,105b,109a,109bとそれぞれ対をなす検出用固定電極106a,106b,110a,110bを支持する固定部107,108,111,112などが含まれる。このセンサ素子の可動部104は、デバイス層127の空洞120内で可動できるようになっている。
引き出し電極122は、キャップ基板126を貫通する電極であり、キャップ基板126に、絶縁膜121を埋め込み、電気的に分離することで形成される。キャップ基板126と、センサ素子の形成されたデバイス層127を接合し、センサ素子をキャップ基板126で保護する。このとき、各検出用固定電極106a,106b,110a,110bの基板113への固定部107,108,111,112と引き出し電極122は電気的に接続される。引き出し電極122は、パターニングされた導電膜123を介してパッド125に接続される。よって、検出用固定電極106a,106b,110a,110bの電位は、引き出し電極122と導電膜123を介して、パッド125から取り出すことができる。同時に、MEMS加速度センサのセンサチップ170は、パッド125の部分を除いて導電膜123の表面が保護膜124によって保護されている。
<本実施の形態のMEMS加速度センサのパッケージの断面構成>
続いて、図11を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサのパッケージの断面構成について説明する。図11は、このMEMS加速度センサのパッケージの断面構成の一例を示す断面図である。図11においては、前述した図10のセンサチップの実装形態として、このセンサチップを実装したパッケージの断面図を示す。
続いて、図11を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサのパッケージの断面構成について説明する。図11は、このMEMS加速度センサのパッケージの断面構成の一例を示す断面図である。図11においては、前述した図10のセンサチップの実装形態として、このセンサチップを実装したパッケージの断面図を示す。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサのパッケージ220は、パッケージ部材210の内部にリードフレーム211が設置され、このリードフレーム211上には回路チップ200が搭載されている。回路チップ200には、トランジスタや受動素子からなる集積回路(前述した図2に示した、CV変換回路140、差動検出回路145、復調回路150など)が形成されている。この回路チップ200に形成されている集積回路は、加速度センサ素子からの出力信号を信号処理する機能を有しており、最終的に加速度信号を出力する回路である。回路チップ200に形成されているパッド203は、リードフレーム211と金属ワイヤ204で接続され、パッケージ部材210の外部につながる端子へと電気的に接続されている。
さらに、回路チップ200上には、前述した図10に示したセンサチップ170が搭載されている。このセンサチップ170には、加速度センサ素子を構成するMEMS加速度センサの構造体が形成されている。このセンサチップ170に形成されているパッド125と、回路チップ200に形成されているパッド201は、金属ワイヤ202で接続されている。
パッケージ部材210は、たとえば、樹脂から成る。リードフレーム211上に回路チップ200とセンサチップ170を搭載したものを金型に設置し、この金型内に高温で溶融した樹脂材料を射出し、冷却硬化することでパッケージ220を構成する。つまり、パッケージ220は、トランスファ・モールド工程により形成される。
このトランスファ・モールド工程は、従来のセラミックパッケージ工程よりも量産性が高く、加速度センサの製造コストを低減する上で有効なプロセスである。しかし、構成材料である樹脂は、吸湿により体積が膨張し、また乾燥により体積が収縮する特徴がある。パッケージ220が設置される環境の湿度が変動すると、パッケージ部材210の膨張と収縮により、内部に設置されたセンサチップ170には歪みが発生する。
しかし、本実施の形態におけるセンサチップ170は、基板113に歪みが発生しても、加速度センサ素子を構成している、可動部104に接続されている検出用可動電極と、基板113に接続されている検出用固定電極の相対距離が変動しにくい。つまり、加速度が印加されない場合に、加速度センサが設置される環境の湿度が変動しても、検出用可動電極と検出用固定電極からなるコンデンサの容量値が変動しにくい特徴がある。つまり、加速度センサが設置される環境の湿度が変動しても、ゼロ点オフセットが発生しにくい特徴がある。
<本実施の形態の効果>
以上説明した本実施の形態におけるMEMS加速度センサ100によれば、可動部104、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aとのP側第1電極対、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bとのP側第2電極対、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aとのN側第1電極対、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bとのN側第2電極対を有する構成において、可動部104はこの可動部104の内側に設けられた固定部101の1点で支持され、さらに、可動部104の固定部101と検出用固定電極106aの固定部107と検出用固定電極106bの固定部108と検出用固定電極110aの固定部111と検出用固定電極110bの固定部112とはMEMS加速度センサ100の検出方向115と垂直な直線116上に配置され、さらに、可動部104の固定部101に対し、一方にP側第1電極対とN側第1電極対とが設けられ、他方にP側第2電極対とN側第2電極対とが設けられていることで、以下のような効果を得ることができる。
以上説明した本実施の形態におけるMEMS加速度センサ100によれば、可動部104、検出用可動電極105aと検出用固定電極106aとのP側第1電極対、検出用可動電極105bと検出用固定電極106bとのP側第2電極対、検出用可動電極109aと検出用固定電極110aとのN側第1電極対、検出用可動電極109bと検出用固定電極110bとのN側第2電極対を有する構成において、可動部104はこの可動部104の内側に設けられた固定部101の1点で支持され、さらに、可動部104の固定部101と検出用固定電極106aの固定部107と検出用固定電極106bの固定部108と検出用固定電極110aの固定部111と検出用固定電極110bの固定部112とはMEMS加速度センサ100の検出方向115と垂直な直線116上に配置され、さらに、可動部104の固定部101に対し、一方にP側第1電極対とN側第1電極対とが設けられ、他方にP側第2電極対とN側第2電極対とが設けられていることで、以下のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施の形態の効果として、可動部104は固定部101での1点支持のため、検出方向115の歪みに対してロバストであり、さらに、回転によるノイズがP側第1電極対(容量素子CP1)とP側第2電極対(容量素子CP2)との間、N側第1電極対(容量素子CN1)とN側第2電極対(容量素子CN2)との間に異符号で現れるため、CV変換回路140などを含むLSI回路の前で機械的に回転ノイズの影響をキャンセルすることができる。これにより、ロバストであり、かつ多軸感度によるアンプの飽和を機械的に防止することができる。
このように、本実施の形態によれば、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺して、MEMS加速度センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制することができる。つまり、MEMS加速度センサが設置される環境の温度や湿度の原因による基板変形による、加速度が印加されない場合のオフセット変動を抑制するMEMS加速度センサを、製造コストを増大させることなく提供できる。
より好適には、以下のような効果を得ることができる。電極対においては、可動部104の固定部101を通る検出方向115と垂直な直線116に対して、P側第1電極対とP側第2電極対とは一方の同じ方向に配置し、N側第1電極対とN側第2電極対とは他方の同じ方向に配置することができる。また、電極対においては、P側第1電極対とP側第2電極対とN側第1電極対とN側第2電極対とは、それぞれ、容量値が電極間距離により変動する対向型の平行平板形状とすることができる。また、電極対においては、P側第1電極対とP側第2電極対とN側第1電極対とN側第2電極対とは、それぞれ、可動部104で構成される枠体の内周枠より内側に設置することができる。これらの効果としては、電極対の設置方法として各種のバリエーションが実現でき、加速度センサの製造の容易化などに繋がる。
[実施の形態2]
実施の形態2におけるMEMS加速度センサについて、図12を用いて説明する。本実施の形態においては、主に前記実施の形態1と異なる点を説明する。また、本実施の形態においては、500番台の符号を付して説明するが、前記実施の形態1の100番台に対応させて、下2桁(10番台と1番台)が同一のものは同一の部材を指すものとする。
実施の形態2におけるMEMS加速度センサについて、図12を用いて説明する。本実施の形態においては、主に前記実施の形態1と異なる点を説明する。また、本実施の形態においては、500番台の符号を付して説明するが、前記実施の形態1の100番台に対応させて、下2桁(10番台と1番台)が同一のものは同一の部材を指すものとする。
<MEMS加速度センサの平面構成>
まず、図12を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図12は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図12は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
まず、図12を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図12は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図12は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ500は、基板上に形成された構造体として、固定部501、剛体502、梁503a,503b、可動部504、検出用可動電極(P側)505a,505b、検出用固定電極(P側)506a,506b、固定部507、固定部508、検出用可動電極(N側)509a,509b、検出用固定電極(N側)510a,510b、固定部511、固定部512などの前記実施の形態1と同様の構成に加えて、診断用可動電極(P側)522a,522b、診断用固定電極(P側)523a,523b、固定部524、固定部525、診断用可動電極(N側)526a,526b、診断用固定電極(N側)527a,527b、固定部528、固定部529などから構成される。以下においては、主に、前記実施の形態1と同様の構成および効果については説明を省略し、前記実施の形態1と異なる構成および効果を説明する。
<<部品が異なる構成と効果>>
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ500は、図12に示すように、基板に、固定部501が設けられており、この固定部501には、検出軸方向(図12のy方向)に伸びる剛体502が接続され、さらに剛体502からは検出軸方向に変形する梁503aと梁503bに接続されている。そして、梁503aと梁503bは、MEMS加速度センサ500の錘となる可動部504と接続されている。梁503aと梁503bは、それぞれ、剛体502および可動部504と接続する箇所において、複数の支持部521により複数の点(図12の例では3点)で支持されており、検出方向(検出軸方向)515以外への機械的変位が起こりにくくなっている特徴を有する。これは、梁503a,503bのz方向の剛性が強化でき、回転モーメントの抑制にも繋がる。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ500は、図12に示すように、基板に、固定部501が設けられており、この固定部501には、検出軸方向(図12のy方向)に伸びる剛体502が接続され、さらに剛体502からは検出軸方向に変形する梁503aと梁503bに接続されている。そして、梁503aと梁503bは、MEMS加速度センサ500の錘となる可動部504と接続されている。梁503aと梁503bは、それぞれ、剛体502および可動部504と接続する箇所において、複数の支持部521により複数の点(図12の例では3点)で支持されており、検出方向(検出軸方向)515以外への機械的変位が起こりにくくなっている特徴を有する。これは、梁503a,503bのz方向の剛性が強化でき、回転モーメントの抑制にも繋がる。
可動部504には、可動部504と一体に形成された検出用可動電極505a,505b,509a,509bが形成されており、この検出用可動電極505a,505b,509a,509bと対向するように、検出用固定電極506a,506b,510a,510bが形成されている。
この検出用可動電極505aと検出用固定電極506a、あるいは、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部504がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が増加するようになっている。また、検出用可動電極509aと検出用固定電極510a、あるいは、検出用可動電極509bと検出用固定電極510bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部504がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が減少するようになっている。
また、前記実施の形態1とは異なる点として、検出用固定電極506a,506b,510a,510bと固定部507,508,511,512をそれぞれ接続する直線状の部品には部分的に穴520があけられており、質量が軽量化されている。さらに、可動部504と固定部501を接続し、この固定部501で支持された剛体502にも、部分的に穴520があけられており、質量が軽量化されている。なお、可動部504や、診断用固定電極523a,523b,527a,527bと固定部524,525,528,529をそれぞれ接続する部品についても同様に、部分的に穴520をあけて質量を軽量化することも可能である。このように質量を軽量化することにより、部品全体の固有振動数が高周波数側に設定でき、高周波数ノイズの入力に対する機械的な応答を減少させられるため、より信頼性の高い加速度センサを提供できる。
<<PN位置が異なる構成と効果>>
検出用可動電極505aと検出用固定電極506a、あるいは、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bは、可動部504の固定部501を通る、加速度センサの検出方向(検出軸方向)515と垂直な直線516に対して、互いに逆の方向に設置されている点が、前記実施の形態1とは異なる。すなわち、図12において、検出用可動電極505aと検出用固定電極506aのP側第1電極対は右上の位置に配置され、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bのP側第2電極対は左下の位置に配置されている。この配置は、固定部501に対して点対称となっている。
検出用可動電極505aと検出用固定電極506a、あるいは、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bは、可動部504の固定部501を通る、加速度センサの検出方向(検出軸方向)515と垂直な直線516に対して、互いに逆の方向に設置されている点が、前記実施の形態1とは異なる。すなわち、図12において、検出用可動電極505aと検出用固定電極506aのP側第1電極対は右上の位置に配置され、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bのP側第2電極対は左下の位置に配置されている。この配置は、固定部501に対して点対称となっている。
また、検出用可動電極509aと検出用固定電極510a、あるいは、検出用可動電極509bと検出用固定電極510bは、可動部504の固定部501を通る、加速度センサの検出方向(検出軸方向)515と垂直な直線516に対して、互いに逆の方向に設置されている点が、前記実施の形態1とは異なる。すなわち、図12において、検出用可動電極509aと検出用固定電極510aのN側第1電極対は右下の位置に配置され、検出用可動電極509bと検出用固定電極510bのN側第2電極対は左上の位置に配置されている。この配置は、固定部501に対して点対称となっている。
すなわち、本実施の形態によれば、可動部504の固定部501を通る検出方向515と垂直な直線516に対して、検出用可動電極505aと検出用固定電極506aのP側第1電極対と検出用可動電極509bと検出用固定電極510bのN側第2電極対とは第1の方向(図12のy方向のプラス方向)に配置され、検出用可動電極505bと検出用固定電極506bのP側第2電極対と検出用可動電極509aと検出用固定電極510aのN側第1電極対とは第1の方向とは異なる第2の方向(図12のy方向のマイナス方向)に配置されている。
つまり、可動部504の変位量を測定するために構成される電極対の設置方法には、バリエーションがある。このような電極対の設置方法でも、前記実施の形態1と同様に、外部から印加された測定量以外である加速度の入力によって可動部504が変位する場合でも、機械素子が構成されたセンサチップの内部で容量値の変動は相殺され、演算回路に信号が入力されることがない。つまり、電気信号がLSI回路で取り扱える範囲を超える場合、すなわち、LSI回路が飽和を起こしてしまう場合を想定する必要がないため、当該電気信号は、本来計測したい信号が飽和信号に埋もれてしまうことによる加速度センサの機能停止をもたらすことがない。つまり、LSI回路への入力前に計測信号以外の加速度の印加による信号を相殺することにより、計測信号以外の加速度の印加による加速度センサの誤動作や誤出力による機能停止を抑制することができる。
<<診断機能の追加構成と効果>>
また、本実施の形態では、前記実施の形態1に対する追加構成として、図12に示すように、可動部504には、可動部504と一体に形成された診断用可動電極522a,522b,526a,526bが形成されており、この診断用可動電極522a,522b,526a,526bと対向するように、診断用固定電極523a,523b,527a,527bが形成されている。診断用可動電極522aと診断用固定電極523aとの診断用P側第1電極対、あるいは、診断用可動電極522bと診断用固定電極523bとの診断用P側第2電極対、あるいは、診断用可動電極526aと診断用固定電極527aとの診断用N側第1電極対、あるいは、診断用可動電極526bと診断用固定電極527bとの診断用N側第2電極対は、それぞれ容量素子を形成している。
また、本実施の形態では、前記実施の形態1に対する追加構成として、図12に示すように、可動部504には、可動部504と一体に形成された診断用可動電極522a,522b,526a,526bが形成されており、この診断用可動電極522a,522b,526a,526bと対向するように、診断用固定電極523a,523b,527a,527bが形成されている。診断用可動電極522aと診断用固定電極523aとの診断用P側第1電極対、あるいは、診断用可動電極522bと診断用固定電極523bとの診断用P側第2電極対、あるいは、診断用可動電極526aと診断用固定電極527aとの診断用N側第1電極対、あるいは、診断用可動電極526bと診断用固定電極527bとの診断用N側第2電極対は、それぞれ容量素子を形成している。
これらの診断用電極対の配置は、検出用電極対と同様に、線対称や点対称で配置できる。すなわち、図12においては、可動部504の固定部501を通る検出方向515と垂直な直線516に対して、診断用P側第1電極対と診断用P側第2電極対とは第1の方向(図12のy方向のプラス方向)に配置され、診断用N側第1電極対と診断用N側第2電極対とは第1の方向とは異なる第2の方向(図12のy方向のマイナス方向)に配置されている。これに限らず、可動部504の固定部501を通る検出方向515と垂直な直線516に対して、診断用P側第1電極対と診断用N側第2電極対とは第1の方向(図12のy方向のプラス方向)に配置し、診断用P側第2電極対と診断用N側第1電極対とは第1の方向とは異なる第2の方向(図12のy方向のマイナス方向)に配置しても良い。
この容量素子を形成している、診断用可動電極522aと診断用固定電極523a、および、診断用可動電極522bと診断用固定電極523bの間に診断信号を印加すると、診断用可動電極522aと診断用固定電極523a、および、診断用可動電極522bと診断用固定電極523bの間に静電気力が働き、診断用可動電極522a、および、診断用可動電極522bが図12のy方向のプラス方向に変位する。この診断用可動電極522a,522bが図12のy方向のプラス方向に変位すると、診断用可動電極522a,522bと一体的に形成されている可動部504も強制的に図12のy方向のプラス方向に変位する。
また、容量素子を形成している、診断用可動電極526aと診断用固定電極527a、および、診断用可動電極526bと診断用固定電極527bの間に診断信号を印加すると、診断用可動電極526aと診断用固定電極527a、および、診断用可動電極526bと診断用固定電極527bの間に静電気力が働き、診断用可動電極526a、および、診断用可動電極526bが図12のy方向のマイナス方向に変位する。この診断用可動電極526a,526bが図12のy方向のマイナス方向に変位すると、診断用可動電極526a,526bと一体的に形成されている可動部504も強制的に図12のy方向のマイナス方向に変位する。
本実施の形態のMEMS加速度センサは、可動部504に加速度が印加されていない場合であっても、可動部504を強制的に変位させる機能を有する。つまり、加速度センサの機械的な故障を電気的手段をもって診断する機能を有しており、信頼性が高い加速度センサを提供することができる。さらに、診断機能を使用しない場合に、この加速度センサの可動部周辺に設置した診断用固定電極523a,523bと527a,527bの電位を固定することで、電気的なノイズ遮断も可能となる。
[実施の形態3]
実施の形態3におけるMEMS加速度センサについて、図13を用いて説明する。本実施の形態においては、主に前記実施の形態1と異なる点を説明する。また、本実施の形態においては、700番台の符号を付して説明するが、前記実施の形態1の100番台に対応させて、下2桁(10番台と1番台)が同一のものは同一の部材を指すものとする。
実施の形態3におけるMEMS加速度センサについて、図13を用いて説明する。本実施の形態においては、主に前記実施の形態1と異なる点を説明する。また、本実施の形態においては、700番台の符号を付して説明するが、前記実施の形態1の100番台に対応させて、下2桁(10番台と1番台)が同一のものは同一の部材を指すものとする。
<MEMS加速度センサの平面構成>
まず、図13を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図13は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図13は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
まず、図13を用いて、本実施の形態におけるMEMS加速度センサの平面構成について説明する。図13は、このMEMS加速度センサの平面構成の一例を示す平面図である。この図13は、MEMS加速度センサを上面から見た図である。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ700は、基板上に形成された構造体として、固定部701、剛体702、梁703a,703b、可動部704、検出用可動電極(P側)705a,705b、検出用固定電極(P側)706a,706b、固定部707、固定部708、検出用可動電極(N側)709a,709b、検出用固定電極(N側)710a,710b、固定部711、固定部712などの前記実施の形態1と同様の構成に加えて、ダンパー用可動電極730a,730b、ダンパー用固定電極731a,731b、固定部732、固定部733などから構成される。なお、図13において、715はMEMS加速度センサ700の検出方向(検出軸方向)を示し、716はこの検出方向715と垂直な直線を示す。以下においては、主に、前記実施の形態1と同様の構成および効果については説明を省略し、前記実施の形態1と異なる構成および効果を説明する。
<<部品が異なる構成と効果>>
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ700は、図13に示すように、基板に、固定部701が設けられており、この固定部701には、検出軸方向(図13のy方向)に伸びる剛体702が接続され、さらに剛体702からは検出軸方向に変形する梁703aと梁703bに接続されている。そして、梁703aと梁703bは、MEMS加速度センサ700の錘となる可動部704と接続されている。
本実施の形態におけるMEMS加速度センサ700は、図13に示すように、基板に、固定部701が設けられており、この固定部701には、検出軸方向(図13のy方向)に伸びる剛体702が接続され、さらに剛体702からは検出軸方向に変形する梁703aと梁703bに接続されている。そして、梁703aと梁703bは、MEMS加速度センサ700の錘となる可動部704と接続されている。
可動部704には、可動部704と一体に形成された検出用可動電極705a,705b,709a,709bが形成されており、この検出用可動電極705a,705b,709a,709bと対向するように、検出用固定電極706a,706b,710a,710bが形成されている。
この検出用可動電極705aと検出用固定電極706a、あるいは、検出用可動電極705bと検出用固定電極706bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部704がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が増加するようになっている。また、検出用可動電極709aと検出用固定電極710a、あるいは、検出用可動電極709bと検出用固定電極710bは、それぞれ容量素子を形成しており、外部から印加された加速度によって可動部704がy方向のプラス方向に変位すると、各容量素子の容量が減少するようになっている。
また、この検出用可動電極705aと検出用固定電極706aとのP側第1電極対、検出用可動電極705bと検出用固定電極706bとのP側第2電極対、検出用可動電極709aと検出用固定電極710aとのN側第1電極対、検出用可動電極709bと検出用固定電極710bとのN側第2電極対は、前記実施の形態1とは異なり、可動部704の枠体の外周枠より外側にそれぞれ配置されている。
さらに、前記実施の形態1とは異なる点として、検出用固定電極706a,706b,710a,710bと固定部707,708,711,712をそれぞれ接続する直線状の部品には部分的に穴734があけられており、質量が軽量化されている。さらに、固定部701で支持された剛体702の他、可動部704や、ダンパー用固定電極731a,731bと固定部732,733をそれぞれ接続する直線状の部品にも、部分的に穴734があけられており、質量が軽量化されている。このように質量を軽量化することにより、部品全体の固有振動数が高周波数側に設定でき、高周波数ノイズの入力に対する機械的な応答を減少させられるため、より信頼性の高い加速度センサを提供できる。
<<ダンパー機能の追加構成と効果>>
また、本実施の形態では、前記実施の形態1に対する追加構成として、図13に示すように、可動部704には、可動部704と一体に形成されたダンパー用可動電極730a,730bが形成されており、このダンパー用可動電極730a,730bと対向するように、基板に固定されたダンパー用固定電極731a,731bが形成されている。ダンパー用可動電極730aとダンパー用固定電極731aとのダンパー用P側第1電極対、および、ダンパー用可動電極730bとダンパー用固定電極731bとのダンパー用N側第1電極対は、それぞれ、ダンパー機能を構成している。このダンパー機能は、可動部704の枠体の内周枠より内側に配置されている。
また、本実施の形態では、前記実施の形態1に対する追加構成として、図13に示すように、可動部704には、可動部704と一体に形成されたダンパー用可動電極730a,730bが形成されており、このダンパー用可動電極730a,730bと対向するように、基板に固定されたダンパー用固定電極731a,731bが形成されている。ダンパー用可動電極730aとダンパー用固定電極731aとのダンパー用P側第1電極対、および、ダンパー用可動電極730bとダンパー用固定電極731bとのダンパー用N側第1電極対は、それぞれ、ダンパー機能を構成している。このダンパー機能は、可動部704の枠体の内周枠より内側に配置されている。
可動部704が変位すると、ダンパー用可動電極730aとダンパー用固定電極731aとの間、および、ダンパー用可動電極730bとダンパー用固定電極731bとの間の空間内のガスを圧縮と伸縮することになるため、ダンパー用可動電極730a,730bとダンパー用固定電極731a,731bから構成されるダンパーは可動部704の変位を阻害する機能を有する。この変位を阻害する機能は、可動部704の速度に比例した効果を有するため、変位の周波数が高周波数帯域であるほど阻害する能力が高い。よって、ダンパー機能を有する加速度センサは、低周波帯域の加速度には機械的に応答するが、高周波帯域の加速度には機械的に応答しない特徴を有する。つまり、計測したい加速度の周波数帯域を、MEMS構造で調整することができる特徴を有する。つまり、高周波数ノイズの入力に対する機械的な応答を減少させられるため、より信頼性の高い加速度センサを提供できる。
前述したダンパー用固定電極731a,731bは、それぞれ、固定部732,733を介して電気的に接続し、電位を与えても良い。この電位として、可動部704と異なる電位を与えることで、可動部704と、検出軸方向に変形する梁703a,703bから構成される機械部品の固有振動数が実効的に小さくなる「静電ばね効果」を得ることができる。製造工程においては変形しにくい梁構造として製造歩留まりを高くし、実際に加速度センサを測定に利用する際に、固定部732,733を介して電気的に接続したダンパー用固定電極731a,731bに電位を与え、所望の固有振動数へと調整する機能が提供できる。つまり、より安価に加速度センサを製造できる技術を提供できる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、上記した実施の形態1〜3は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
100 MEMS加速度センサ
101 固定部
102 剛体
103a,103b 梁
104 可動部
105a,105b 検出用可動電極(P側)
106a,106b 検出用固定電極(P側)
107 固定部
108 固定部
109a,109b 検出用可動電極(N側)
110a,110b 検出用固定電極(N側)
111 固定部
112 固定部
113 基板
115 検出方向
116 検出方向と垂直な直線
120 空洞
121 絶縁膜
122 引き出し電極
123 導電膜
124 保護膜
125 パッド
126 キャップ基板
127 デバイス層
130 搬送波印加回路
140 CV変換回路
141 オペアンプ
142 オペアンプ
143 検出信号
144 検出信号
145 差動検出回路
146 電位差信号
150 復調回路
160 出力端子
170 センサチップ
200 回路チップ
201 パッド
202 金属ワイヤ
203 パッド
204 金属ワイヤ
210 パッケージ部材
211 リードフレーム
220 パッケージ
300 MEMS加速度センサ(従来技術)
301a,301b 固定部
303a,303b 梁
304 可動部
305a,305b 検出用可動電極(P側)
306a,306b 検出用固定電極(P側)
307 固定部
308 固定部
309a,309b 検出用可動電極(N側)
310a,310b 検出用可動電極(N側)
311 固定部
312 固定部
313 基板
315 検出方向
500 MEMS加速度センサ
501 固定部
502 剛体
503a,503b 梁
504 可動部
505a,505b 検出用可動電極(P側)
506a,506b 検出用固定電極(P側)
507 固定部
508 固定部
509a,509b 検出用可動電極(N側)
510a,510b 検出用固定電極(N側)
511 固定部
512 固定部
515 検出方向
516 検出方向と垂直な直線
520 穴
521 支持部
522a,522b 診断用可動電極(P側)
523a,523b 診断用固定電極(P側)
524 固定部
525 固定部
526a,526b 診断用可動電極(N側)
527a,527b 診断用固定電極(N側)
528 固定部
529 固定部
700 MEMS加速度センサ
701 固定部
702 剛体
703a,703b 梁
704 可動部
705a,705b 検出用可動電極(P側)
706a,706b 検出用固定電極(P側)
707 固定部
708 固定部
709a,709b 検出用可動電極(N側)
710a,710b 検出用固定電極(N側)
711 固定部
712 固定部
715 検出方向
716 検出方向と垂直な直線
730a,730b ダンパー用可動電極
731a,731b ダンパー用固定電極
732 固定部
733 固定部
734 穴
101 固定部
102 剛体
103a,103b 梁
104 可動部
105a,105b 検出用可動電極(P側)
106a,106b 検出用固定電極(P側)
107 固定部
108 固定部
109a,109b 検出用可動電極(N側)
110a,110b 検出用固定電極(N側)
111 固定部
112 固定部
113 基板
115 検出方向
116 検出方向と垂直な直線
120 空洞
121 絶縁膜
122 引き出し電極
123 導電膜
124 保護膜
125 パッド
126 キャップ基板
127 デバイス層
130 搬送波印加回路
140 CV変換回路
141 オペアンプ
142 オペアンプ
143 検出信号
144 検出信号
145 差動検出回路
146 電位差信号
150 復調回路
160 出力端子
170 センサチップ
200 回路チップ
201 パッド
202 金属ワイヤ
203 パッド
204 金属ワイヤ
210 パッケージ部材
211 リードフレーム
220 パッケージ
300 MEMS加速度センサ(従来技術)
301a,301b 固定部
303a,303b 梁
304 可動部
305a,305b 検出用可動電極(P側)
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307 固定部
308 固定部
309a,309b 検出用可動電極(N側)
310a,310b 検出用可動電極(N側)
311 固定部
312 固定部
313 基板
315 検出方向
500 MEMS加速度センサ
501 固定部
502 剛体
503a,503b 梁
504 可動部
505a,505b 検出用可動電極(P側)
506a,506b 検出用固定電極(P側)
507 固定部
508 固定部
509a,509b 検出用可動電極(N側)
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511 固定部
512 固定部
515 検出方向
516 検出方向と垂直な直線
520 穴
521 支持部
522a,522b 診断用可動電極(P側)
523a,523b 診断用固定電極(P側)
524 固定部
525 固定部
526a,526b 診断用可動電極(N側)
527a,527b 診断用固定電極(N側)
528 固定部
529 固定部
700 MEMS加速度センサ
701 固定部
702 剛体
703a,703b 梁
704 可動部
705a,705b 検出用可動電極(P側)
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707 固定部
708 固定部
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716 検出方向と垂直な直線
730a,730b ダンパー用可動電極
731a,731b ダンパー用固定電極
732 固定部
733 固定部
734 穴
Claims (14)
- 静電容量型の慣性センサであって、
可動部と、
前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第1電極対と、
前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が増加する正方向第2電極対と、
前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が減少する負方向第1電極対と、
前記可動部の検出軸の正方向変位に対して容量値が減少する負方向第2電極対と、を有し、
前記可動部は、該可動部の内側に設けられた固定部の1点で支持され、
前記可動部の固定部と、前記正方向第1電極対の固定部と、前記正方向第2電極対の固定部と、前記負方向第1電極対の固定部と、前記負方向第2電極対の固定部とは、前記慣性センサの検出方向と垂直な直線上に配置され、
前記可動部の固定部に対し、一方に前記正方向第1電極対と前記負方向第1電極対とが設けられ、他方に前記正方向第2電極対と前記負方向第2電極対とが設けられていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と前記正方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して第1の方向に配置され、
前記負方向第1電極対と前記負方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して前記第1の方向とは異なる第2の方向に配置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と前記負方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して第1の方向に配置され、
前記正方向第2電極対と前記負方向第1電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して前記第1の方向とは異なる第2の方向に配置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と前記正方向第2電極対と前記負方向第1電極対と前記負方向第2電極対とは、それぞれ、容量値が電極間距離により変動する対向型の平行平板形状であることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と前記正方向第2電極対と前記負方向第1電極対と前記負方向第2電極対とは、それぞれ、前記可動部で構成される枠体の内周枠より内側に設置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と前記正方向第2電極対と前記負方向第1電極対と前記負方向第2電極対とは、それぞれ、前記可動部で構成される枠体の外周枠より外側に設置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記慣性センサの機械的な故障を、診断信号の印加により前記可動部を強制的に変位させて診断する複数の診断用電極対を有し、
前記複数の診断用電極対として、
前記診断信号の印加により前記可動部の検出軸の正方向に変位する診断用正方向第1電極対と、
前記診断信号の印加により前記可動部の検出軸の正方向に変位する診断用正方向第2電極対と、
前記診断信号の印加により前記可動部の検出軸の負方向に変位する診断用負方向第1電極対と、
前記診断信号の印加により前記可動部の検出軸の負方向に変位する診断用負方向第2電極対と、を有し、
前記診断用正方向第1電極対の固定部と、前記診断用正方向第2電極対の固定部と、前記診断用負方向第1電極対の固定部と、前記診断用負方向第2電極対の固定部とは、前記慣性センサの検出方向と垂直な直線上に配置され、
前記可動部の固定部に対し、一方に前記診断用正方向第1電極対と前記診断用負方向第1電極対とが設けられ、他方に前記診断用正方向第2電極対と前記診断用負方向第2電極対とが設けられていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項7に記載の慣性センサにおいて、
前記診断用正方向第1電極対と前記診断用正方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して第1の方向に配置され、
前記診断用負方向第1電極対と前記診断用負方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して前記第1の方向とは異なる第2の方向に配置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項7に記載の慣性センサにおいて、
前記診断用正方向第1電極対と前記診断用負方向第2電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して第1の方向に配置され、
前記診断用正方向第2電極対と前記診断用負方向第1電極対とは、前記可動部の固定部を通る検出方向と垂直な直線に対して前記第1の方向とは異なる第2の方向に配置されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記可動部の変位を阻害する複数のダンパー用電極対を有し、
前記複数のダンパー用電極対として、
前記可動部の検出軸の正方向の変位を阻害するダンパー用正方向第1電極対と、
前記可動部の検出軸の負方向の変位を阻害するダンパー用負方向第1電極対と、を有し、
前記ダンパー用正方向第1電極対の固定部と、前記ダンパー用負方向第1電極対の固定部とは、前記慣性センサの検出方向と垂直な直線上に配置され、
前記可動部の固定部に対し、一方に前記ダンパー用正方向第1電極対が設けられ、他方に前記ダンパー用負方向第1電極対が設けられていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項10に記載の慣性センサにおいて、
前記ダンパー用正方向第1電極対および前記ダンパー用負方向第1電極対には、第1の電位が印加され、前記可動部には前記第1の電位とは異なる第2の電位が印加されていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項1に記載の慣性センサにおいて、
前記正方向第1電極対と該正方向第1電極対の固定部との接続部、前記正方向第2電極対と該正方向第2電極対の固定部との接続部、前記負方向第1電極対と該負方向第1電極対の固定部との接続部、前記負方向第2電極対と該負方向第2電極対の固定部との接続部、および、前記可動部と該可動部の固定部との接続部のうちの少なくとも1つの接続部には、穴があけられていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項7に記載の慣性センサにおいて、
前記診断用正方向第1電極対と該診断用正方向第1電極対の固定部との接続部、前記診断用正方向第2電極対と該診断用正方向第2電極対の固定部との接続部、前記診断用負方向第1電極対と該診断用負方向第1電極対の固定部との接続部、および、前記診断用負方向第2電極対と該診断用負方向第2電極対の固定部との接続部のうちの少なくとも1つの接続部には、穴があけられていることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項10に記載の慣性センサにおいて、
前記ダンパー用正方向第1電極対と該ダンパー用正方向第1電極対の固定部との接続部、および、前記ダンパー用負方向第1電極対と該ダンパー用負方向第1電極対の固定部との接続部のうちの少なくとも1つの接続部には、穴があけられていることを特徴とする慣性センサ。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160621 |