JP2007298408A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な手法により確実に自身の破損状態を検知する。
【解決手段】物理量の変位に応じて動作する可動電極５と、固定電極６とを相互に間隙を介して対向配置し、固定電極６と可動電極５との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出する静電容量式センサ１において、可動電極５を弾性的に可動させる複数のビーム部４を介して可動電極５を支持する支持部３を、各ビーム部４と１対１で接続し、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成することで実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。

従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば、特許文献１。）。

特許文献１では、静電容量式センサとして、加速度などの物理量によって変位する１個のマス部により、互いに垂直な２軸方向の物理量を検出することができるように構成された容量式物理量検出装置が開示されている。
特開２０００−２８６３４号公報

一般に、特許文献１で開示されているような静電容量式センサは、シリコンの微細加工技術により形成される微細な構造でありながら、可動電極といった可動構造を有しているため、マス部を支持するビーム部が折れるなど、破損してしまう可能性がある。特に、このような破損は、製品としての筐体内に収められる前段の製造工程時に生じやすいため、ビーム部が破損してしまっていないかどうかを製造工程の段階で検査することは、デバイスの信頼性を高める上で非常に重要である。

従来、このようなビーム折れなどの破損は、静電容量式センサを直接撮像した画像を目視で確認したり、画像処理により確認することで検知していた。しかしながら、このような画像に依存した検査手法は、人為的なミスや、撮像された画像の解像度などによっては、見落としの可能性を常に残してしまうといった問題がある。

また、このような画像に依存した検査手法だと、完全な破損ではないビーム部の微細なクラックなどを見落としてしまう可能性が極めて高く、短期間の使用により不良品となってしまうデバイスを製品として出荷してしまうといった問題もある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、簡便な手法により確実に自身の破損状態を検知することができる構造を有する静電容量式センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、前記可動電極を弾性的に可動させる複数のビーム部を介して前記可動電極を支持する支持部が、前記各ビーム部と１対１で接続され、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成されてなることで上述の課題を解決する。

本発明によれば、可動電極を弾性的に可動させる複数のビーム部を介して可動電極を支持する支持部が、各ビーム部と１対１で接続され、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成されているため、簡便な手法により確実に自身の破損状態を検知することを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［静電容量式センサの構成］
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１の構成について説明する。実施の形態として示す静電容量式センサ１は、互いに垂直な２軸方向の加速度を検出することができる。

図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、支持部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７、グランド電極９が形成されている。

図２は、図１のＩ−Ｉ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。図１に示すように、半導体層２が略正方形状となるように静電容量式センサ１は、切り出されることになる。

図１に示すように、グランド電極９は、静電容量式センサ１の略正方形状となる半導体層２のサイズを規定するように四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。

支持部３は、間隙１０を介してグランド電極９内側に形成されている。具体的には、支持部３は、グランド電極９の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で延設されながら、四辺の略中央に相当する位置に間隙１０を設けることで島状に形成されている。

各支持部３には、内側の隅から、それぞれ当該支持部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びるビーム部４が設けられている。つまり、支持部３は、ビーム部４と１対１で接続され、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成されている。

図１に示すようにビーム部４は、間隙１０を介して略枠状となる支持部３の二辺分に亘って、それぞれ相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、支持部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。

これにより、静電容量式センサ１では、可動電極５に対し、バネ要素としてのビーム部４、ビーム部４に接続された支持部３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような静電容量式センサ１は、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極５、固定電極６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａからなる検出部８Ａ乃至８Ｄ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。

図１に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＸ軸方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。

一方、図１に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部８Ｃの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｄの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。

図１に示す固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上には、図２に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を介し、隅部６ｂの表面６ｃ、貫通孔２４の内周面２４ａ、絶縁層２０の表面２０ａに固定電極６の電位を取り出すための電極部２３が金属薄膜にて形成されている。なお、絶縁層２０の表面２０ａは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆（モールド成形）される。

また、この貫通孔２４を絶縁層２１に設け、同じように電極部２３を形成して、半導体層２の裏面より固定電極６の電位を取り出すようにしてもよい。

一方、可動電極５の電位は、当該可動電極５をビーム部４を介して支持する各支持部３から取り出すようにする。図３は、図１のII−II線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図１に示す各支持部３の位置Ｅ乃至位置Ｈ上には、図３に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２６を介し、支持部３の表面３ａ、貫通孔２６の内周面２６ａ、絶縁層２０の表面２０ａに可動電極５の電位を取り出すための電極部２５が金属薄膜にて形成されている。なお、上述したように絶縁層２０の表面２０ａは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆（モールド成形）される。

また、この貫通孔２６を絶縁層２１に設け、同じように電極部２５を形成して、半導体層２の裏面より可動電極５の電位を取り出すようにしてもよい。

図１に示すように、ストッパ部７は、可動電極５の動作により、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部７は、可動電極５と対向する面に突起７ａを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。なお、ストッパ部７は、可動電極５、固定電極６と電気的に絶縁されている。

［検出部８の構成］
続いて、図４に示す静電容量式センサ１の検出部８を中心に可動電極５、固定電極６を拡大した平面図を用いて、検出部８の詳細な構成について説明をする。

図４に示すように、可動電極５には、その中央部５ｂから支持部３の一辺の端部に向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極５ａが形成されている。検出可動電極５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極５ａは、先端部が互いに平行となるように揃えられているが、長さが櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっている。

一方、固定電極６には、可動電極５の中央部５ｂに向けて、検出可動電極５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極６ａが形成されている。検出固定電極６ａは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極５ａの間に、検出可動電極５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極６ａは、検出可動電極５ａに対応させて、櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっており、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

図４に示すように、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａを形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。検出部８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の静電容量を検出する。

［ビーム部４の破損検知処理］
図１乃至図４を用いて説明したように静電容量式センサ１は、可動電極５をビーム部４を介して支持する半導体層２の支持部３を島状に形成することで、可動電極５から延びるビーム部４と１対１で接続されている。このような支持部３の位置Ｅ乃至位置Ｈ上に形成された電極部２５は、可動電極５の電位を取り出すのに使用される以外にも、ビーム部４の折れなどといった自身の破損状態を検知するために用いることができる。

具体的には、支持部３に形成された電極部２５のうちの任意の電極部２５間に電圧を印加することで電流を流し、導通、内部抵抗を測定することで、この電極部２５間にあるビーム部４が破損しているかどうかを検査する。電極部２５間が導通していない場合には、当該電極部２５間にあるビーム部４がどこかで完全に折れてしまっていると判断でき、導通しているものの内部抵抗に異常が見られる場合には、ビーム部４になんからのクラックが存在していると判断することができる。

図５に、静電容量式センサ１の等価回路と、上述した可動電極５、固定電極６の静電容量の変化を検出する容量検出回路２７と、ビーム部４の破損検知処理を担うビーム破損検知回路２８とを示す。容量検出回路２７、ビーム破損検知回路２８は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などで実現することができる。図５に示す、静電容量式センサ１の等価回路において、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、可動電極５、固定電極６間の静電容量を示しており、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、ビーム部４の内部抵抗を示している。

図５に示すように、容量検出回路２７には、絶縁層２０の貫通孔２４を介して固定電極６上に形成された各電極部２３である電極部Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２が接続され、絶縁層２０の貫通孔２６を介して可動電極５と同電位である各支持部３上に形成された電極部２５である電極部Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４が接続されている。

容量検出回路２７は、静電容量式センサ１に加速度が加わることで、可動電極５が位置変位した場合に、可動電極５、固定電極６間の静電容量Ｃ１，Ｃ２又は静電容量Ｃ３，Ｃ４の変化を検出し、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。

また、ビーム破損検知回路２８には、絶縁層２０の貫通孔２６を介して各支持部３上に形成された電極部２５である電極部Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４が、任意の２点間に電圧を印加するこができるように接続されている。

ビーム破損検知回路２８は、電極部Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の任意の２点間に電圧を印加することで電流を流し、導通、内部抵抗を測定し、測定結果から電極部間にあるビーム部４の状態を判断する。例えば、ビーム破損検知回路２８は、電極部Ｍ１，Ｍ３間に電圧を印加して電流を流し、電極部Ｍ１，Ｍ３間の導通状態、ビーム部４の内部抵抗Ｒ１，Ｒ３を検知する。

例えば、ビーム破損検知回路２８は、検査対象となる静電容量式センサ１の設計仕様によってあらかじめ定められた所定の範囲内の理想的なビーム部４の内部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の値をデフォルト値として保持しておき、電圧を印加することで算出される抵抗値と比較をすることで、ビーム部４の折れや、ビーム部４に存在するクラックを検知する。

このように、静電容量式センサ１は、１対１でビーム部４が接続され、ビーム部４を介して可動電極５を支持する支持部３が島状に形成されているため、支持部３上に形成された任意の電極部２５間に電圧を印加して電流を流し、導通、内部抵抗を測定するという極めて簡便な手法により、この電極部２５間にあるビーム部４の折れや、ビーム部４に存在するクラックを検知することができる。

［自己診断機能について］
ところで、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載されたり、車両のエアバックシステムの加速度センサなどに用いられる。

車両のエアバックシステムは、安全装置であるため、安全装置発動のトリガーとなる加速度を検出する加速度センサには高い信頼性が求められる。そこで、このようなエアバックシステムなどに用いる加速度センサには、当該加速度センサの故障や性能低下を常時自己診断することができる専用の回路を併設させ、システムの信頼性を向上させるようにしている（例えば、特開平６−７４９６８号公報参照。）。

具体的には、加速度センサの固定電極、可動電極間に静電気力をかけ、強制的に可動電極に変位を与えることで擬似的な加速度を加えた状態とし、検出される加速度から加速度センサの状態を診断することができる。

上述したように本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１では、電圧印加処理を実行し、導通状態の検証、内部抵抗値の算出を行うビーム破損検知回路２８によって当該静電容量式センサ１の状態を検証することができるため、自己診断機能の代替手段として利用することができる。

［本発明の別な構成］
なお、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向といった互いに垂直な２軸方向の加速度を検出するように構成しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、１軸方向の加速度を検出するセンサ、２軸以上の加速度を検出するセンサにも適用することができる。

図６に、一例として、１軸方向の加速度を検出できる静電容量式センサ３１を示す。図６では、半導体層３２を挟持するガラス基板を透過した静電容量式センサ３１の半導体層３２の様子を示している。

図６に示すように、半導体層３２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙４０を形成することで、支持部３３、ビーム部３４、可動電極３５、固定電極３６、ストッパ部３７、グランド電極３９が形成されている。

図６に示すように、グランド電極３９は、静電容量式センサ３１の略長方形状となる半導体層３２のサイズを規定するように四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。

支持部３３は、間隙４０を介してグランド電極３９内側に形成されている。支持部３３は、間隙１０を設けることで島状に形成されている。

各支持部３３には、それぞれ当該支持部３３から蛇行するように折れ曲がりながら中心に向けてビーム部３４が設けられている。つまり、支持部３３は、ビーム部３４と１対１で接続され、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成されている。

図６に示すように、ビーム部３４は、それぞれ相互干渉することなく延設されるとともに、可動電極３５の隅部に接続されており、支持部３３に対して可動電極３５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。

これにより、静電容量式センサ３１では、可動電極３５に対し、バネ要素としてのビーム部３４、ビーム部３４に接続された支持部３３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような静電容量式センサ３１は、質量要素としての可動電極３５の位置変位による可動電極３５、固定電極３６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ３１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ３１に加えられた加速度を検出することができる。

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極３５、固定電極３６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａからなる検出部３８Ａ、３８Ｂ（以下、総称する場合は、単に検出部３８と呼ぶ。）によって検出される。

図６に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極３５がＸ軸方向に変位し、検出部３８Ａの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量と、検出部３８Ｂの検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。

図６に示す固定電極３６の隅部３６ｂの位置Ｉ、位置Ｊ上には、半導体層３２を挟持する図示しない絶縁層をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を介し、隅部３６ｂの表面、貫通孔の内周面、絶縁層表面に固定電極３６の電位を取り出すための電極部が金属薄膜にて形成される。

一方、可動電極３５の電位は、当該可動電極３５をビーム部３４を介して支持する各支持部３３から取り出すようにする。図６に示す各支持部３３の位置Ｋ乃至位置Ｎ上には、図示しない絶縁層をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を介し、支持部３３の表面、貫通孔の内周面、絶縁層の表面に可動電極３５の電位を取り出すための電極部が金属薄膜にて形成される。

図６に示すように、ストッパ部３７は、可動電極３５の動作により、後述する検出可動電極３５ａと検出固定電極３６ａとが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部３７は、可動電極３５に設けられた切り欠きに対応する突起部３７ａを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。なお、ストッパ部３７は、可動電極３５、固定電極３６と電気的に絶縁されている。

図６に示すように、可動電極３５には、その中央部から略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極３５ａが形成されている。検出可動電極３５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。

一方、固定電極３６には、可動電極３５の中央部に向けて、検出可動電極３５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極３６ａが形成されている。検出固定電極３６ａは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極３５ａの間に、検出可動電極３５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極３５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。

図６に示すように、検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａを形成する上で設けられた間隙４０は、一方側で狭い間隙４０ａ、他方側で広い間隙４０ｂとなっている。検出部３８は、狭い側の間隙４０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極３５ａ、検出固定電極３６ａ間の静電容量を検出する。

このように、静電容量式センサ３１は、上述した静電容量式センサ１と同様に、１対１でビーム部３４が接続され、ビーム部３４を介して可動電極３５を支持する支持部３３が島状に形成されているため、支持部３３上に形成された任意の電極部間に電圧を印加して電流を流し、導通、内部抵抗を測定するという極めて簡便な手法により、この電極部間にあるビーム部３４の折れや、ビーム部３４に存在するクラックを検知することができる。

また、静電容量式センサ３１は、ビーム部３４の破損状態を検査することができるため、この検査機能を上述した自己診断機能の代替手段として利用することができる。

また、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１，３１は、加速度を検出するが、本発明は、これに限定されるものではなく、静電容量方式のセンサであればどのような物理量を検出するものにも適用することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について示す図である。 前記静電容量式センサを図１に示すＩ−Ｉ線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサを図１に示すII−II線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサの検出部の詳細な構成について説明するための図である。 ビーム部の破損状態を検知する手法について説明するための図である。 一軸方向の物理量を検出する静電容量式センサの一例を示した図である。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２ 半導体層
３ 支持部
３ａ 表面
４ ビーム部
５ 可動電極
５ａ 検出可動電極
６ 固定電極
６ａ 検出固定電極
８ 検出部
１０ 間隙
２３ 電極部
２５ 電極部
２７ 容量検出回路
２８ ビーム破損検知回路
３１ 静電容量式センサ
３２ 半導体層
３３ 支持部
３４ ビーム部
３５ 可動電極
３５ａ 検出可動電極
３６ 固定電極
３６ａ 検出固定電極
３８ 検出部
４０ 間隙

Claims (2)

1. 物理量の変位に応じて動作する可動電極と、固定電極とを相互に間隙を介して対向配置し、前記固定電極と前記可動電極との間隙の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出する静電容量式センサにおいて、
   前記可動電極を弾性的に可動させる複数のビーム部を介して前記可動電極を支持する支持部が、前記各ビーム部と１対１で接続され、互いに接触することなく独立した複数の島状に形成されてなること
   を特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記固定電極と前記可動電極とが形成された半導体層の表裏面の少なくとも一方に接合された絶縁層のうち、前記複数の島状に形成された各支持部上の絶縁層に貫通孔を設け、前記貫通孔を介して前記絶縁層上に電極部が形成され、任意の前記電極部間の導通状態、内部抵抗の両方またはいずれか一方を検知可能とすること
   を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。

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