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JP2007333618A - Acceleration sensor - Google Patents

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JP2007333618A
JP2007333618A JP2006167086A JP2006167086A JP2007333618A JP 2007333618 A JP2007333618 A JP 2007333618A JP 2006167086 A JP2006167086 A JP 2006167086A JP 2006167086 A JP2006167086 A JP 2006167086A JP 2007333618 A JP2007333618 A JP 2007333618A
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JP
Japan
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electrode
dielectric
acceleration sensor
inertial mass
acceleration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006167086A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seiji Aoyanagi
誠司 青柳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kansai University
Original Assignee
Kansai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kansai University filed Critical Kansai University
Priority to JP2006167086A priority Critical patent/JP2007333618A/en
Publication of JP2007333618A publication Critical patent/JP2007333618A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor exhibiting high sensitivity, manufacturable at low cost. <P>SOLUTION: The acceleration sensor includes an inertial mass plate varying its position by the applied acceleration, a first electrode and a second electrode disposed on one main surface of the inertial mass plate, and a dielectric body confronted with the first electrode and the second electrode. The acceleration is measured based on electrostatic capacity between the first electrode and the second electrode varying in correspondence with position variation of the inertial mass plate. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、慣性質量体を用いて構成された加速度センサに関する。   The present invention relates to an acceleration sensor configured using an inertial mass body.

従来から、加速度が印加されたときに作用する慣性力を利用した種々のタイプの加速度センサが用いられている。
図6には、対向する2つの電極を持った従来例の基本構成を示す。この例では、慣性質量板102の下面に移動電極102aが設けられ、それに対向するように基板101上に固定電極101aが形成されて、基板101に対して慣性質量板102が変位したときに電極間の静電容量が変化することを利用している。本従来例は、慣性質量板102は、基板101に対向するようにビームと呼ばれる弾性梁103で支持されており、加速度が印加されたときに基板101に対して慣性質量板102が変位し、その変位により生じる静電容量の変化に基づいて加速度を測定するというものである。
Conventionally, various types of acceleration sensors using inertial force acting when acceleration is applied have been used.
FIG. 6 shows a basic configuration of a conventional example having two electrodes facing each other. In this example, a moving electrode 102 a is provided on the lower surface of the inertial mass plate 102, a fixed electrode 101 a is formed on the substrate 101 so as to face the moving electrode 102 a, and the electrode is moved when the inertial mass plate 102 is displaced with respect to the substrate 101. It takes advantage of the change in capacitance between. In this conventional example, the inertial mass plate 102 is supported by an elastic beam 103 called a beam so as to face the substrate 101. When an acceleration is applied, the inertial mass plate 102 is displaced with respect to the substrate 101, The acceleration is measured based on a change in capacitance caused by the displacement.

また、最近では、基板に形成された固定電極と慣性質量体に形成された移動電極を持った加速度センサにおいて、慣性質量体を水平面内で揺動振動するように構成して、センサの線形性を向上させたものや、櫛歯電極を利用したものも提案されている。
しかしながら、これらの電極対向型の加速度センサは、2枚のウエハを貼り合わせたり、深い反応性イオンエッチングが必要になる等、安価に製造することが困難であるという問題があった。
また、慣性質量体は、通常、シリコン等の脆性材料を用いて作製されるので、耐衝撃性に劣るという問題があった。
Recently, in an acceleration sensor having a fixed electrode formed on a substrate and a moving electrode formed on an inertial mass body, the inertial mass body is configured to oscillate and oscillate in a horizontal plane. The thing which improved this and the thing using a comb-tooth electrode are also proposed.
However, these electrode-facing acceleration sensors have a problem that it is difficult to manufacture at low cost, such as bonding two wafers or requiring deep reactive ion etching.
In addition, since the inertial mass is usually made using a brittle material such as silicon, there is a problem that it is inferior in impact resistance.

そこで、本発明者らは、比較的構成が簡単で安価に製造できる加速度センサを実現するために、対向する2つの電極に代えて、基板上に電極を並べて配置し、その電極間に生じるフリンジ電界を利用した加速度センサを先に提案した(特許文献1)。この先に提案した先行例の加速度センサは、図7に示すように、基板101上に2つの固定電極104、105を並べて形成し、その電極間に電位差を与えたときに生じるフリンジ電界に影響を与えるように誘電体からなる慣性質量体110を移動可能に設けて構成している。この先行例において、慣性質量体110は、図6と同様、弾性梁103によって、基板に対して移動可能に支持されている。   Therefore, in order to realize an acceleration sensor that is relatively simple and can be manufactured at low cost, the present inventors have arranged electrodes on a substrate in place of two opposing electrodes, and a fringe generated between the electrodes. An acceleration sensor using an electric field was previously proposed (Patent Document 1). As shown in FIG. 7, in the acceleration sensor of the prior example proposed earlier, two fixed electrodes 104 and 105 are formed side by side on a substrate 101, and the fringe electric field generated when a potential difference is applied between the electrodes is affected. The inertia mass body 110 made of a dielectric is provided so as to be movable. In this preceding example, the inertial mass body 110 is supported by the elastic beam 103 so as to be movable with respect to the substrate, as in FIG.

以上の先行例では、慣性質量体110に加速度が印加されると、慣性力の作用により、基板101と慣性質量体110間の距離が変化して、固定電極104、105間の静電容量が変化し、加速度を測定することが可能となる。この先行例の加速度センサは、高価な設備を用いることなく、いわゆる表面マイクロマシニング技術で作製できることから安価に製造できるという利点がある。   In the preceding example described above, when acceleration is applied to the inertial mass body 110, the distance between the substrate 101 and the inertial mass body 110 changes due to the action of the inertial force, and the capacitance between the fixed electrodes 104 and 105 increases. Change, and acceleration can be measured. The acceleration sensor of the preceding example has an advantage that it can be manufactured at low cost because it can be manufactured by so-called surface micromachining technology without using expensive equipment.

また、この先行例の加速度センサでは、慣性質量体110として、常温で蒸着が可能なパリレンと呼ばれているポリパラキシリレンを用いて構成したことにより、以下のような利点もある。   In addition, in the acceleration sensor of the preceding example, the inertial mass body 110 is configured by using polyparaxylylene called parylene that can be deposited at room temperature, and thus has the following advantages.

すなわち、パリレンは、常温で蒸着が可能であることから、例えば、C−MOS回路からなる演算回路を形成した後に、慣性質量体等を形成することができることから、加速度検出部とC−MOS回路とを基板上に一体で構成することが可能となる。
また、パリレンは、シリコン等の脆性材料と比べて延性を持っているので、耐衝撃等性に優れた加速度センサを提供することが可能になる。
米国特許公開2004/0239341A1
That is, since parylene can be vapor-deposited at room temperature, for example, an inertial mass body or the like can be formed after forming an arithmetic circuit composed of a C-MOS circuit, so that an acceleration detection unit and a C-MOS circuit can be formed. Can be integrally formed on the substrate.
Moreover, since parylene has ductility compared to brittle materials such as silicon, it is possible to provide an acceleration sensor that is excellent in impact resistance and the like.
US Patent Publication 2004 / 0239341A1

しかしながら、先行例の加速度センサは、対向電極で用いられる一次電界とは異なるフリンジ電界を用いているので、感度を高くすることができないという問題があった。   However, since the acceleration sensor of the preceding example uses a fringe electric field different from the primary electric field used for the counter electrode, there is a problem that the sensitivity cannot be increased.

そこで、本発明は、安価に製造でき、かつ感度の高い加速度センサを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can be manufactured at low cost and has high sensitivity.

以上の目的を達成するために、本発明に係る加速度センサは、印加される加速度によって位置が変化する慣性質量板と、その慣性質量板の一方の主面に設けられた第1電極と第2電極と、前記一方の主面に対向して設けられた誘電体とを備え、前記慣性質量板の位置変化に対応して変化する前記第1電極と前記第2電極の間の静電容量に基づいて、前記加速度を測定することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an acceleration sensor according to the present invention includes an inertial mass plate whose position is changed by an applied acceleration, a first electrode and a second electrode provided on one main surface of the inertial mass plate. An electrostatic capacitance between the first electrode and the second electrode that changes in response to a change in the position of the inertial mass plate. Based on the above, the acceleration is measured.

以上のように構成された本発明に係る加速度センサは、加速度に対応して変位する慣性質量板に第1電極と第2電極とを設け、該第1電極と第2電極に対向して誘電体を設けているので、比誘電率の大きい誘電体を容易に基板上に形成することが可能になる。
したがって、本発明によれば、安価に製造できかつ感度の高い加速度センサを提供することができる。
The acceleration sensor according to the present invention configured as described above is provided with a first electrode and a second electrode on an inertial mass plate that is displaced in accordance with acceleration, and is opposed to the first electrode and the second electrode. Since the body is provided, a dielectric having a large relative dielectric constant can be easily formed on the substrate.
Therefore, according to the present invention, an acceleration sensor that can be manufactured at low cost and has high sensitivity can be provided.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の加速度センサについて説明する。
図1は、本発明に係る実施の形態の加速度センサの基本構成を模式的に示す図である。
本実施の形態の加速度センサは、図1に示すように、基板1上に弾性梁3によって支持され、印加される加速度によって位置が変化する慣性質量板2と、慣性質量板2の下面に形成された一対の電極2a,2bと、慣性質量板2の下面に対向して設けられた誘電体7とを備えている。
Hereinafter, an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor according to the present embodiment is formed on an inertial mass plate 2 that is supported on a substrate 1 by an elastic beam 3 and whose position is changed by applied acceleration, and on the lower surface of the inertial mass plate 2. A pair of electrodes 2a and 2b, and a dielectric 7 provided to face the lower surface of the inertial mass plate 2.

すなわち、本実施の形態の加速度センサでは、印加される加速度によって位置が変化する慣性質量板2の下面に一対の電極2a,2bを形成し、固定側の基板1の上に誘電体7を慣性質量板2の下面に近接して設けている。   That is, in the acceleration sensor according to the present embodiment, the pair of electrodes 2a and 2b are formed on the lower surface of the inertial mass plate 2 whose position is changed by the applied acceleration, and the dielectric 7 is inertially mounted on the substrate 1 on the fixed side. It is provided close to the lower surface of the mass plate 2.

以上のように構成された実施の形態の加速度センサにおいて、2つの電極2a,2b間に電位差を与えると、電極の周りの空間及び誘電体7中に電界を生じ、その電界は図1に模式的に示すような電気力線で表される。
このような状態で、誘電体7と電極2a,2bの間隔(距離)が変化するように慣性質量板2の位置が変化すると、誘電体7と電極2a,2bの間隔(距離)に対応して誘電体7中の電束密度が変化し、電極2a,2b間の静電容量が変化する。
In the acceleration sensor of the embodiment configured as described above, when a potential difference is applied between the two electrodes 2a and 2b, an electric field is generated in the space around the electrodes and in the dielectric 7, and the electric field is schematically shown in FIG. It is represented by electric field lines as shown.
In such a state, if the position of the inertial mass plate 2 changes so that the distance (distance) between the dielectric 7 and the electrodes 2a and 2b changes, the distance (distance) between the dielectric 7 and the electrodes 2a and 2b corresponds. Thus, the electric flux density in the dielectric 7 changes, and the capacitance between the electrodes 2a and 2b changes.

従って、本実施の形態の加速度センサにおいては、慣性質量板2に加速度が印加されたときの電極2a,2b間の静電容量の変化量を測定することにより、誘電体7と電極2a,2bの間隔(距離)がどのように変化したか検出でき、その検出値に基づいて慣性質量板2に印加された加速度が算出される。   Therefore, in the acceleration sensor of the present embodiment, the dielectric 7 and the electrodes 2a, 2b are measured by measuring the change in capacitance between the electrodes 2a, 2b when acceleration is applied to the inertial mass plate 2. It is possible to detect how the distance (distance) changes, and the acceleration applied to the inertial mass plate 2 is calculated based on the detected value.

以上のように構成された実施の形態の加速度センサは、浮動体である慣性質量板2に電極2a,2bを形成し、固定側に誘電体7を設けている点に特徴があり、本実施の形態の加速度センサでは、このような特徴により、誘電体7として適切な材料の選択が可能となり、感度が高くかつ信頼性の高い加速度センサを構成することが可能になる。
すなわち、本実施の形態の加速度センサでは、固定側に誘電体7を設けることにより、種々の製造方法で誘電体7を形成することが可能となり、かつ誘電体7自身が印加される加速度により変形されることが無いので、脆性な結晶からなる材料を用いることも可能となる。
The acceleration sensor of the embodiment configured as described above is characterized in that the electrodes 2a and 2b are formed on the inertial mass plate 2 which is a floating body, and the dielectric 7 is provided on the fixed side. With this type of acceleration sensor, it is possible to select an appropriate material for the dielectric 7, and it is possible to configure an acceleration sensor with high sensitivity and high reliability.
That is, in the acceleration sensor of the present embodiment, by providing the dielectric 7 on the fixed side, the dielectric 7 can be formed by various manufacturing methods, and the dielectric 7 itself is deformed by the applied acceleration. Therefore, it is possible to use a material made of brittle crystals.

従って、本発明によれば、例えば、強誘電体セラミック等の高い誘電体を用いて構成することが可能となり、感度の高い加速度センサが提供できる。
また、本発明の加速度センサによれば、可動部ではなく固定部に誘電体を設けているので、誘電体が変形されることがなく、例えば、セラミックなどの脆性な誘電体を用いて構成した場合であっても、高い信頼性の確保か可能である。
Therefore, according to the present invention, for example, a high dielectric such as a ferroelectric ceramic can be used, and a highly sensitive acceleration sensor can be provided.
Further, according to the acceleration sensor of the present invention, since the dielectric is provided not in the movable part but in the fixed part, the dielectric is not deformed, and is configured using, for example, a brittle dielectric such as ceramic. Even in this case, it is possible to ensure high reliability.

以下、本実施の形態の加速度センサについて詳細に説明する。
まず、最初に、実施の形態の加速度センサに用いる誘電体7の誘電率と加速度の検出感度について説明する。
ここでは、図2に示す電極2aについて対称性を有するモデルに基づいて、シミュレーションを行い、誘電体7の誘電率と加速度の検出感度について確認した。
Hereinafter, the acceleration sensor of the present embodiment will be described in detail.
First, the dielectric constant and acceleration detection sensitivity of the dielectric 7 used in the acceleration sensor of the embodiment will be described.
Here, based on a model having symmetry with respect to the electrode 2a shown in FIG. 2, a simulation was performed, and the dielectric constant and acceleration detection sensitivity of the dielectric 7 were confirmed.

ここでは、図2に示す対称性を有する断面モデルについて、2次元有限要素法を用いてシミュレーションを実施した。
図2に示す断面モデルでは、慣性質量板2の下面に形成された電極2a(幅w)を中央に配置して、電極2aの両側に電極2bを配置した。尚、電極2aと電極2bの間隔は、gとした。
Here, a simulation was performed on the cross-sectional model having symmetry shown in FIG. 2 using a two-dimensional finite element method.
In the cross-sectional model shown in FIG. 2, the electrode 2a (width w) formed on the lower surface of the inertial mass plate 2 is arranged in the center, and the electrodes 2b are arranged on both sides of the electrode 2a. The interval between the electrode 2a and the electrode 2b was g.

また、本シミュレーションにおいて、慣性質量板2は、厚さ、5μm、誘電率、3.15(ポリパラキシリレンの誘電率)とし、誘電体7は、厚さが(g+w)の2倍、誘電率が2600(Pb(ZrTi)Oの誘電率)とした。
また、電界分布は、図2に示す帯状の範囲で計算した。このような範囲に計算領域を制限しても、電極が形成される面(慣性質量板2の下面)から(g+w)の3倍以上離れた領域、及び慣性質量板2の下面から(g+w)の2倍以上離れた領域は、実質的に電界分布はゼロであり、本シミュレーションにより評価する容量の計算に影響を与えることはない。
In this simulation, the inertial mass plate 2 has a thickness of 5 μm, a dielectric constant of 3.15 (dielectric constant of polyparaxylylene), and the dielectric 7 has a thickness twice as large as (g + w). The rate was 2600 (dielectric constant of Pb (ZrTi) O 3 ).
Further, the electric field distribution was calculated in the band-like range shown in FIG. Even if the calculation area is limited to such a range, the area where the electrode is formed (the lower surface of the inertial mass plate 2) is at least three times as long as (g + w) and the lower surface of the inertial mass plate 2 (g + w) In the region separated by more than 2 times, the electric field distribution is substantially zero, and does not affect the calculation of the capacitance evaluated by this simulation.

また、電極2aを中央に配置して、その両側の2つの電極2bの、一方の電極2bの中央から他方の電極2bの中央まで電界分布を計算すると、例えば、後述する、電極2aと電極2bが交互に配置された櫛場電極構造における電界分布は、図2に基づいて計算された電界分布の繰り返しで表すことができる。
したがって、このシミュレーション結果に基づいて、感度をより向上させることが可能な櫛場電極構造における評価を容易に行うことができる。
Further, when the electric field distribution is calculated from the center of one electrode 2b to the center of the other electrode 2b of the two electrodes 2b on both sides of the electrode 2a, for example, an electrode 2a and an electrode 2b, which will be described later, are calculated. The electric field distribution in the comb electrode structure in which are alternately arranged can be represented by repetition of the electric field distribution calculated based on FIG.
Therefore, it is possible to easily evaluate the comb electrode structure capable of further improving the sensitivity based on the simulation result.

以上の図2に示す断面モデルを用いて、シミュレーションした結果を図3(a)(b)に示す。
このシミュレーションでは、電極2aに5V、その両側の電極2bを0V、電極幅w=3μm、電極間隔g=7μmとし、慣性質量板2と誘電体7間のギャップhを変化させたときの、電極2aと電極2b間の静電容量の変化をシミュレーションした。
この図3において、(a)は、慣性質量板2と誘電体7間のギャップhが、0.2μm〜4μmの範囲における計算値を示しており、(b)は、(a)において静電容量の変化が顕著な慣性質量板2と誘電体7間のギャップhが、0.2μm〜1μmの範囲を横軸を伸ばして示している。
The simulation results using the cross-sectional model shown in FIG. 2 are shown in FIGS.
In this simulation, the electrode 2a is 5V, the electrode 2b on both sides is 0V, the electrode width w = 3 μm, the electrode interval g = 7 μm, and the gap h between the inertial mass plate 2 and the dielectric 7 is changed. The change in capacitance between 2a and the electrode 2b was simulated.
In FIG. 3, (a) shows the calculated value when the gap h between the inertial mass plate 2 and the dielectric 7 is in the range of 0.2 μm to 4 μm, and (b) shows the electrostatic value in (a). The gap h between the inertial mass plate 2 and the dielectric 7 where the change in capacitance is remarkable shows the range of 0.2 μm to 1 μm with the horizontal axis extended.

図3において、比誘電率εr=4として示す線が2つあるが、その一方は図7に示す先行例の構成に基づいてシミュレーションしたものである。   In FIG. 3, there are two lines shown as relative permittivity εr = 4, one of which is simulated based on the configuration of the preceding example shown in FIG.

この図3に示すように、実施の形態1の加速度センサにおいて、誘電体7の誘電率を高くすると、間隔hの変化に対して静電容量の変化を大きくでき、感度を向上させることが可能であることが確認された。
また、図3から、本実施の形態の加速度センサでは、慣性質量板2と誘電体7間のギャップhは比較的狭くすることが好ましく、1μm以下に設定するより好ましいことがわかる。
この慣性質量板2と誘電体7間のギャップhの好ましい範囲は、櫛場電極構造の場合であっても同様である。
As shown in FIG. 3, in the acceleration sensor of the first embodiment, when the dielectric constant of the dielectric 7 is increased, the change in capacitance can be increased with respect to the change in the interval h, and the sensitivity can be improved. It was confirmed that.
In addition, it can be seen from FIG. 3 that in the acceleration sensor of the present embodiment, the gap h between the inertial mass plate 2 and the dielectric 7 is preferably relatively narrow, and more preferably set to 1 μm or less.
The preferable range of the gap h between the inertial mass plate 2 and the dielectric 7 is the same even in the case of the comb electrode structure.

次に、本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
本製造方法では、まず、基板(例えば、シリコンウエハや石英ウエハからなる)1上に、例えば、バルクのチタン酸ジルコン酸鉛{Pb(Zr,Ti)O:以下、単にPZTという。}からなる誘電体板7を接合する(図5(a)(b))。ここで、バルクとは、例えば、通常の性質とは異なった物性を示す微粒子や薄膜とは異なり、その物質固有の性質をもつような物質の形態をいい、本明細書においては薄膜として形成したものではないことを意味する。ここでは、バルクPZTを厚さが0.2mmになるように切断したPZT板を誘電体板7として用いた。
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to the present embodiment will be described.
In this manufacturing method, first, for example, bulk lead zirconate titanate {Pb (Zr, Ti) O 3 : hereinafter simply referred to as PZT on a substrate (for example, made of a silicon wafer or a quartz wafer) 1. } Is joined (FIGS. 5A and 5B). Here, the term “bulk” refers to, for example, a form of a substance having a property unique to the substance, unlike a fine particle or a thin film having physical properties different from normal properties. In this specification, the bulk is formed as a thin film. It means not a thing. Here, a PZT plate obtained by cutting bulk PZT so as to have a thickness of 0.2 mm was used as the dielectric plate 7.

尚、基板1とPZT板の接合は、後の工程における耐有機溶剤性を考慮すると化学的に安定な接合材を用いることが好ましく、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などの接着材を用いることが好ましい。   In addition, it is preferable to use a chemically stable bonding material for bonding the substrate 1 and the PZT plate in consideration of organic solvent resistance in a later process, for example, an adhesive such as polydimethylsiloxane (PDMS). Is preferred.

次に、PZT板(誘電体板7)上に、例えば、スパッタリングやCVD法により堆積された多結晶シリコン(Si)またはアモルファスシリコンからなる犠牲層12を形成し、犠牲層12の外周に沿ってスロット12sを形成し、その内側に多数のディンプル12bを形成する(図5B(a)(b))。このスロット12s及びその周りの犠牲層は、最終工程で犠牲層が除去された後、弾性梁3の一端を固定する部分であり、スロット12sは、弾性梁3の固定をより確実にかつ強固にするために設けられる。ここでは、3つのスロット12sを中心が一致するように形成した。また、ディンプル12bは、慣性質量体2の下面に凹凸を形成する為のものであり、慣性質量体2の下面にディンプル12bに対応するバンプが形成される。このように、慣性質量体2の下面に凹凸(バンプ)を形成することにより、慣性質量体2の下面と誘電体7がバンプの上部のみで接触することになって接触面積を小さくでき、慣性質量体2の下面と誘電体7との吸着を防止することができる。   Next, a sacrificial layer 12 made of, for example, polycrystalline silicon (Si) or amorphous silicon deposited by sputtering or CVD is formed on the PZT plate (dielectric plate 7), and along the outer periphery of the sacrificial layer 12. A slot 12s is formed, and a large number of dimples 12b are formed on the inside (FIGS. 5B (a) and 5 (b)). The slot 12s and the sacrificial layer around the slot 12s are portions for fixing one end of the elastic beam 3 after the sacrificial layer is removed in the final process, and the slot 12s more securely and firmly fixes the elastic beam 3. To be provided. Here, the three slots 12s are formed so that their centers coincide. The dimples 12b are for forming irregularities on the lower surface of the inertial mass body 2, and bumps corresponding to the dimples 12b are formed on the lower surface of the inertial mass body 2. Thus, by forming irregularities (bumps) on the lower surface of the inertial mass body 2, the lower surface of the inertial mass body 2 and the dielectric 7 are in contact with each other only at the upper portion of the bump, so that the contact area can be reduced and the inertial Adsorption of the lower surface of the mass body 2 and the dielectric 7 can be prevented.

次に、スロット12sを覆うように、犠牲層12の外周部分(犠牲層を除去する際に、除去することなく残す犠牲層の外周部分)に、例えば、ポリパラキシリレンからなる保護膜13を形成する(図5C(a)(b))。この保護膜13は、電極パッドが形成される部分の直下とその外周部分に残される犠牲層(例えばアモルファスSi)を後工程におけるエッチング種(例えばXeFガス)から保護し、図4で示す配線電極2wa,2wbが形成される部分のスロットを覆って凹凸を無くすために形成される。この保護膜13により電極パッドの下に損傷のない犠牲層を残すことが可能になり、かつ配線電極2wa,2wbの成膜が容易になる。
以上のようにして、弾性梁の端部が固定され、電極2aと電極2bに電圧を印加する配線電極2wa,2wbがその上に形成される土台となるべき固定部が構成される。
Next, a protective film 13 made of, for example, polyparaxylylene is applied to the outer peripheral portion of the sacrificial layer 12 (the outer peripheral portion of the sacrificial layer that remains without being removed when the sacrificial layer is removed) so as to cover the slot 12s. It forms (FIG. 5C (a) (b)). This protective film 13 protects the sacrificial layer (for example, amorphous Si) left immediately below the portion where the electrode pad is to be formed and the outer peripheral portion thereof from the etching species (for example, XeF 2 gas) in the subsequent process, and the wiring shown in FIG. It is formed to cover the slot where the electrodes 2wa and 2wb are to be formed to eliminate the unevenness. This protective film 13 makes it possible to leave a sacrificial layer that is not damaged under the electrode pad, and facilitates the formation of the wiring electrodes 2wa and 2wb.
As described above, the ends of the elastic beams are fixed, and the fixed portions to be the foundation on which the wiring electrodes 2wa and 2wb for applying a voltage to the electrodes 2a and 2b are formed.

次に、犠牲層12及び保護膜13の上にAl膜をスパッタリングにより形成し、そのAl膜を混酸エッチングにより所定の形状にパターンニングする。これにより、電極2a,2b及びそれらに電圧を印加するための配線電極2wa,2wbが形成される(図5D(a)(b))。
次に、Oプラズマによるドライエッチングにより、配線電極2wa,2wbの下にある保護膜と電極パッドが形成された外周部分にある保護膜を除いて、保護膜を除去する。
このOプラズマによるドライエッチングの際、パターニングされたAl膜をマスクとして用いてエッチングしてもよいが、フォトマスクのアライメント誤差により残す必要がある犠牲層が後工程においてサイドからエッチングされてダメージを受ける可能性がある。これを防ぐために、残す必要がある犠牲層にマージンを加えて広い領域で保護し、それ以外の保護膜を除去するために、Al膜とは別にマスクを形成することが好ましい。
Next, an Al film is formed on the sacrificial layer 12 and the protective film 13 by sputtering, and the Al film is patterned into a predetermined shape by mixed acid etching. Thereby, the electrodes 2a and 2b and the wiring electrodes 2wa and 2wb for applying a voltage to them are formed (FIGS. 5D (a) and (b)).
Next, the protective film is removed by dry etching using O 2 plasma except for the protective film under the wiring electrodes 2wa and 2wb and the protective film in the outer peripheral portion where the electrode pads are formed.
In this dry etching using O 2 plasma, etching may be performed using a patterned Al film as a mask. However, a sacrificial layer that needs to be left due to an alignment error of the photomask is etched from the side in a later step and damaged. There is a possibility of receiving. In order to prevent this, it is preferable to form a mask separately from the Al film in order to protect the sacrificial layer that needs to be left in a wide area by adding a margin and to remove other protective films.

ここで、電極2aは、複数の電極枝2a2と電極枝2a2の一端がそれぞれ接続される接続電極2a1からなる櫛歯電極であり、その接続電極2a1の一端に配線電極2waが接続される(図4)。また、電極2bは、複数の電極枝2b2と電極枝2b2の一端がそれぞれ接続される接続電極2b1からなる櫛歯電極であり、その接続電極2b1の一端に配線電極2wbが接続される(図4)。以上のように、それぞれ櫛歯電極からなる電極2a,2bは、電極枝2a2と電極枝2b2が交互に位置するように配置される。
このように、電極2a,2bを櫛歯電極とし、電極枝2a2と電極枝2b2を交互に配置することにより、電極2a,2b間の静電容量を高くでき、測定感度を向上させることが可能になる。
Here, the electrode 2a is a comb electrode composed of a plurality of electrode branches 2a2 and a connection electrode 2a1 to which one ends of the electrode branches 2a2 are respectively connected, and a wiring electrode 2wa is connected to one end of the connection electrode 2a1 (FIG. 4). The electrode 2b is a comb electrode composed of a plurality of electrode branches 2b2 and a connection electrode 2b1 to which one ends of the electrode branches 2b2 are respectively connected, and a wiring electrode 2wb is connected to one end of the connection electrode 2b1 (FIG. 4). ). As described above, the electrodes 2a and 2b made of comb electrodes are arranged such that the electrode branches 2a2 and the electrode branches 2b2 are alternately positioned.
As described above, the electrodes 2a and 2b are comb electrodes, and the electrode branches 2a2 and the electrode branches 2b2 are alternately arranged, whereby the capacitance between the electrodes 2a and 2b can be increased and the measurement sensitivity can be improved. become.

次に、電極2a、電極2b及び犠牲層12を覆うように、例えば、ポリパラキシリレンからなる構造体用膜を形成して、例えば、Oアッシングでエッチングすることによりパターンニングする。これにより、慣性質量体2と弾性梁3になる構造体部分と、慣性質量体2の周りにあって弾性梁3を基板上に固定するための固定部を形成する(図5E(a)(b)(c))。
この際、弾性梁3の固定端は、犠牲層12のスロット12sを埋めるように形成され、弾性梁3の固定端は基板に強固に固定される。また、ポリパラキシリレンは、等角的(コンフォーマル)な膜の体積が可能であることから、固定端の表面は平坦にできる。
また、Oアッシングにより、電極パッド部分の窓開けも行う。この窓開けは、電極に後工程でワイヤをボンディングしたり、プローバを接触させて信号を検出したりするために必要である。
Next, a structure film made of, for example, polyparaxylylene is formed so as to cover the electrode 2a, the electrode 2b, and the sacrificial layer 12, and is patterned by etching, for example, with O 2 ashing. Thereby, the structure part which becomes the inertial mass body 2 and the elastic beam 3 and the fixing portion around the inertial mass body 2 for fixing the elastic beam 3 on the substrate are formed (FIG. 5E (a) ( b) (c)).
At this time, the fixed end of the elastic beam 3 is formed so as to fill the slot 12s of the sacrificial layer 12, and the fixed end of the elastic beam 3 is firmly fixed to the substrate. In addition, since polyparaxylylene can have a conformal film volume, the surface of the fixed end can be made flat.
Moreover, the window of the electrode pad portion is also opened by O 2 ashing. The opening of the window is necessary for bonding a wire to the electrode in a later process or for detecting a signal by contacting a prober.

最後に、例えば、XeFガスでエッチングすることにより、Siからなる犠牲層12を除去して、慣性質量体2が基板(誘電体7)から離れた状態で弾性梁3によって保持された構造体が形成される(図5F(a)(b)(c))。 Finally, the sacrificial layer 12 made of Si is removed, for example, by etching with XeF 2 gas, and the structure in which the inertial mass body 2 is held by the elastic beam 3 in a state of being separated from the substrate (dielectric 7). Is formed (FIGS. 5F (a), (b), and (c)).

以上のようにして、下面に電極2a,2bが形成された慣性質量体2が、弾性梁3によって誘電体7上に移動可能に中空で保持されてなる実施の形態の加速度センサが作製される。   As described above, the acceleration sensor of the embodiment in which the inertial mass body 2 having the electrodes 2a and 2b formed on the lower surface is held hollow by the elastic beam 3 so as to be movable on the dielectric body 7 is manufactured. .

以上の実施の形態1の加速度センサの製造方法によれば、慣性質量体2を弾性梁3によって誘電体7上に保持する浮動体構造を、犠牲層を用いて作製しているので、慣性質量体2と誘電体7の間隔を1μm以下(好ましくは、0.2μm〜0.5μm)に容易に設定することができ、感度の高い加速度センサを作製することができる。   According to the acceleration sensor manufacturing method of the first embodiment described above, the floating mass structure that holds the inertial mass body 2 on the dielectric 7 by the elastic beam 3 is manufactured using the sacrificial layer. The distance between the body 2 and the dielectric 7 can be easily set to 1 μm or less (preferably 0.2 μm to 0.5 μm), and a highly sensitive acceleration sensor can be manufactured.

また、本実施の形態の加速度センサの製造方法によれば、慣性質量体2には、例えば、ポリパラキシリレン等のマイクロマシニングプロセスを用いた浮動体形成に適した材料を用いることができる。すなわち、ポリパラキシリレンは、電気絶縁性、誘電特性、耐薬品性に優れ、所望の厚さの膜状に形成することが可能で上記製造方法に適しており、ガラスなどの無機物、金属、プラスチック等に対する密着力に優れているので、信頼性の高い慣性質量体2及び弾性梁を構成することができる。   Further, according to the method for manufacturing the acceleration sensor of the present embodiment, the inertial mass body 2 can be made of a material suitable for forming a floating body using a micromachining process such as polyparaxylylene. That is, polyparaxylylene is excellent in electrical insulation, dielectric properties, chemical resistance, can be formed into a film with a desired thickness, and is suitable for the above production method. Since it has excellent adhesion to plastic or the like, the highly reliable inertial mass body 2 and elastic beam can be configured.

また、誘電体7は、基板上に接合することにより構成しているので、例えば、バルクのPZT板等の誘電率の極めて高い材料を用いて誘電体7を形成することが可能でかつ製造コストを低く抑えることができる。
従って、本実施の形態の加速度センサの製造方法によれば、感度の高い加速度センサを安価に製造することが可能である。
In addition, since the dielectric 7 is formed by bonding on the substrate, it is possible to form the dielectric 7 using a material having an extremely high dielectric constant, such as a bulk PZT plate, and the manufacturing cost. Can be kept low.
Therefore, according to the acceleration sensor manufacturing method of the present embodiment, a highly sensitive acceleration sensor can be manufactured at low cost.

以上の実施の形態では、基板1上に誘電体7を接合するようにしたが、本発明はこのような構成に限られるものではなく、基板1及び誘電体7に代えて、強誘電体材料からなる誘電体基板を用いて、基板1と誘電体7とが一体化された構造にしてもよい。このように、基板1と誘電体7の機能が一体化された誘電体基板を用いて構成すると、誘電体7を基板上に接合する工程を省略することができるので、より安価に製造できる。
また、基板1と誘電体7の機能が一体化された誘電体基板を用いて構成すると、誘電体7を基板1の接合部がなくなるので、当該接合部の剥離等の発生がなく、より高い信頼性を有する加速度センサが提供できる。
In the above embodiment, the dielectric 7 is bonded onto the substrate 1. However, the present invention is not limited to such a configuration, and a ferroelectric material is used instead of the substrate 1 and the dielectric 7. A structure in which the substrate 1 and the dielectric 7 are integrated with each other may be used. Thus, if it comprises using the dielectric substrate with which the function of the board | substrate 1 and the dielectric material 7 was integrated, since the process of joining the dielectric material 7 on a board | substrate can be skipped, it can manufacture more cheaply.
Further, when the dielectric substrate in which the functions of the substrate 1 and the dielectric 7 are integrated is used, the dielectric 7 is free from the bonding portion of the substrate 1, so that the bonding portion does not peel off and is higher. A reliable acceleration sensor can be provided.

尚、実施の形態の加速度センサでは、平面形状が略正方形である慣性質量体2の対角の4隅を弾性梁3で支えるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、略正方形の慣性質量体2における各辺の中央部を弾性支持梁で支えるようにしてもよいし、例えば平面形状が円形の慣性質量体2を用いその周辺部の複数の箇所を弾性梁で支えるようにしてもよい。   In the acceleration sensor according to the embodiment, the four corners of the inertial mass body 2 having a substantially square plane shape are supported by the elastic beams 3. However, the present invention is not limited to this and is substantially limited. The central portion of each side of the square inertia mass body 2 may be supported by an elastic support beam. For example, the inertia mass body 2 having a circular planar shape may be used to support a plurality of peripheral portions thereof by the elastic beam. It may be.

また、本実施の形態では、4箇所で慣性質量体2を支えるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、2カ所若しくは3カ所、又は5以上の箇所で慣性質量体2を支えるようにしてもよい。   Further, in the present embodiment, the inertial mass body 2 is supported at four locations, but the present invention is not limited to this, and the inertial mass body 2 is supported at two or three locations, or five or more locations. You may make it support.

さらに、本実施の形態では、いわゆる両持梁構造で慣性質量体2を支えるようにしたが、本発明においては、比較的ヤング率の高い弾性梁を用いて、片持梁により慣性質量体2を支えるようにしてもよい。   Further, in the present embodiment, the inertial mass body 2 is supported by a so-called both-end supported beam structure. However, in the present invention, an inertial mass body 2 is formed by a cantilever beam using an elastic beam having a relatively high Young's modulus. You may make it support.

また、本実施の形態の加速度センサはさらに、弾性梁3と慣性質量板2と電極2a,2bと誘電体7とを含んでなるセンサ構造体を収納する空間を備えたパッケージを備えていてもよい。
この場合、センサ構造体を収納する空間を真空又は減圧状態にすることにより、慣性質量体2の変位を妨げる空気抵抗を減少させることができ、より測定感度を向上させることが可能になる。
The acceleration sensor of the present embodiment may further include a package having a space for housing a sensor structure including the elastic beam 3, the inertial mass plate 2, the electrodes 2a and 2b, and the dielectric 7. Good.
In this case, by setting the space for housing the sensor structure to a vacuum or a reduced pressure state, it is possible to reduce the air resistance that hinders the displacement of the inertial mass body 2 and further improve the measurement sensitivity.

以上の実施の形態の加速度センサでは、バルクのPZT板を用いて誘電体7を構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、スパッタリング等のいわゆる薄膜形成技術を用いて、例えば強誘電体からなる誘電体7を形成するようにしてもよい。以上のように構成しても、バルクの強誘電体に比べると誘電率は低いが、比誘電率が数百又はそれ以上の誘電体を形成することはでき、従来例に比較すると十分感度を高くできる。   In the acceleration sensor of the above embodiment, the dielectric 7 is configured by using a bulk PZT plate. However, the present invention is not limited to this, and a so-called thin film forming technique such as sputtering is used, for example, a ferroelectric. A dielectric 7 made of a body may be formed. Even if configured as described above, the dielectric constant is lower than that of bulk ferroelectrics, but dielectrics having a relative dielectric constant of several hundreds or more can be formed. Can be high.

また、本実施の形態では、誘電体7としてPZT板を用いた例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、チタン酸バリウム(BaTiO)等の他の強誘電体を用いても良いし、比較的誘電率の高い常誘電体を用いて構成してもよい。 In the present embodiment, an example in which a PZT plate is used as the dielectric 7 has been described. However, the present invention is not limited to this, and other ferroelectrics such as barium titanate (BaTiO 3 ) are used. Alternatively, a paraelectric material having a relatively high dielectric constant may be used.

すなわち、本発明は、印加される加速度によって位置が変化する慣性質量板に第1電極と第2電極を形成し、固定側に誘電体を設けたことを特徴とするものであり、かかる技術的思想の範囲内において、種々の変形が可能である。   That is, the present invention is characterized in that a first electrode and a second electrode are formed on an inertial mass plate whose position changes according to applied acceleration, and a dielectric is provided on the fixed side. Various modifications are possible within the scope of the idea.

本発明に係る加速度センサは、カーナビゲーションシステム、コンベア、エレベータ及びエアバックシステムなどの幅広い用途に使用することができる。   The acceleration sensor according to the present invention can be used in a wide range of applications such as car navigation systems, conveyors, elevators, and airbag systems.

本発明に係る実施の形態の加速度センサの基本構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the basic composition of the acceleration sensor of embodiment which concerns on this invention. 実施の形態の加速度センサにおける電極間の静電容量を評価するための2次元断面モデルである。It is a two-dimensional cross-sectional model for evaluating the capacitance between electrodes in the acceleration sensor of the embodiment. 実施の形態の加速度センサにおける、誘電体と慣性質量体間の間隔に対する静電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the electrostatic capacitance with respect to the space | interval between a dielectric material and an inertial mass body in the acceleration sensor of embodiment. 実施の形態の加速度センサにおける、電極のパターン構成を示す平面図である。It is a top view which shows the pattern structure of an electrode in the acceleration sensor of embodiment. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、基板上に誘電体を接合した後の平面図(a)とそのA−A’線についての断面図(b)である。FIG. 5A is a plan view after a dielectric is bonded on a substrate and a cross-sectional view taken along line A-A ′ in the acceleration sensor manufacturing method of the embodiment. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、誘電体上に犠牲層を形成した後の平面図(a)とそのB−B’線についての断面図(b)である。FIG. 5A is a plan view after a sacrificial layer is formed on a dielectric in the method for manufacturing an acceleration sensor according to the embodiment, and a cross-sectional view taken along line B-B ′. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、犠牲層の周辺部を覆うように保護膜を形成した後の平面図(a)とそのC−C’線についての断面図(b)である。FIG. 6A is a plan view after forming a protective film so as to cover the periphery of the sacrificial layer and a cross-sectional view taken along the line C-C ′ in the method for manufacturing an acceleration sensor according to the embodiment. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、犠牲層の中央部に一対の電極を形成した後の平面図(a)とそのD−D’線についての断面図(b)である。FIG. 5A is a plan view after a pair of electrodes are formed at the center of a sacrificial layer and a cross-sectional view taken along the line D-D ′ in the acceleration sensor manufacturing method of the embodiment. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、一対の電極の上に慣性質量体を形成した後の平面図(a)とそのE−E’線についての断面図(b)及びE1−E1’線についての断面図(c)である。In the acceleration sensor manufacturing method according to the embodiment, a plan view after an inertial mass body is formed on a pair of electrodes, a cross-sectional view of the EE ′ line (b), and an E1-E1 ′ line It is sectional drawing (c) about. 実施の形態の加速度センサの製造方法において、犠牲層を除去した後の平面図(a)とそのF−F’線についての断面図(b)及びF1−F1’線についての断面図(c)である。In the acceleration sensor manufacturing method of the embodiment, a plan view after removing the sacrificial layer (a), a cross-sectional view taken along line FF ′, and a cross-sectional view taken along line F1-F1 ′ (c). It is. 従来例の加速度センサの基本構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the basic composition of the acceleration sensor of a prior art example. 特許文献1に開示された加速度センサの基本構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the basic composition of the acceleration sensor disclosed by patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 慣性質量板、2a,2b 電極、2wa,2wb 配線電極、2a1,2b1 接続電極、2a2,2b2 電極枝、3 弾性梁、7 誘電体、12 犠牲層、12s スロット、12b ディンプル、13 保護膜。   1 substrate, 2 inertia mass plate, 2a, 2b electrode, 2wa, 2wb wiring electrode, 2a1, 2b1 connection electrode, 2a2, 2b2 electrode branch, 3 elastic beam, 7 dielectric, 12 sacrificial layer, 12s slot, 12b dimple, 13 Protective film.

Claims (7)

印加される加速度によって位置が変化する慣性質量板と、その慣性質量板の一方の主面に設けられた第1電極と第2電極と、前記一方の主面に対向して設けられた誘電体とを備え、前記慣性質量板の位置変化に対応して変化する前記第1電極と前記第2電極の間の静電容量に基づいて、前記加速度を測定する加速度センサ。   Inertial mass plate whose position is changed by the applied acceleration, first and second electrodes provided on one main surface of the inertial mass plate, and dielectric provided opposite to the one main surface And an acceleration sensor that measures the acceleration based on a capacitance between the first electrode and the second electrode that changes in response to a change in position of the inertial mass plate. 前記誘電体は、基板上に設けられた誘電体板からなり、
前記慣性質量板は、前記基板上に弾性梁によって支持されている請求項1記載の加速度センサ。
The dielectric comprises a dielectric plate provided on a substrate,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the inertia mass plate is supported on the substrate by an elastic beam.
前記弾性梁は、一端が前記慣性質量板に接続され、他端が前記誘電体板に固定部を介して接続されている請求項2記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to claim 2, wherein one end of the elastic beam is connected to the inertia mass plate and the other end is connected to the dielectric plate via a fixing portion. 前記誘電体は、誘電体基板からなり、
前記慣性質量板は、前記誘電体基板上に弾性梁によって支持されている請求項1記載の加速度センサ。
The dielectric comprises a dielectric substrate,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the inertial mass plate is supported on the dielectric substrate by an elastic beam.
前記第1電極は複数の第1電極枝を有する櫛歯電極であり、前記第2電極は複数の第2電極枝を有する櫛歯電極であり、隣接する前記第1電極枝間に前記第2電極枝が配置された請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の加速度センサ。   The first electrode is a comb electrode having a plurality of first electrode branches, the second electrode is a comb electrode having a plurality of second electrode branches, and the second electrode is disposed between adjacent first electrode branches. The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein an electrode branch is disposed. 前記慣性質量体は、ポリパラキシリレンからなる請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the inertial mass body is made of polyparaxylylene. 前記誘電体は、強誘電体セラミックからなる請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to claim 1, wherein the dielectric is made of a ferroelectric ceramic.
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