JP2010078421A

JP2010078421A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2010078421A
Application number: JP2008246202A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirata; 善明平田; Kiyoshi Ishibashi; 清志石橋; Takashi Tokunaga; 隆志徳永; Nobuaki Konno; 伸顕紺野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】高周波の過大加速度に対して、可動電極が固定電極と接触する機会を格段に減少させる加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサは、基板２００と、慣性質量体１０６と、可動電極１０５と、リンク梁１０７とを有している。慣性質量体１０６は、基板２００の表面に対して面内に変位可能なように基板２００に支持されている。可動電極１０５は、基板２００と対向するように配置され、基板２００の表面に対して面外に変位可能なように基板に支持されている。リンク梁１０７は、慣性質量体１０６の面内変位を可動電極１０５の面外変位に変換するように慣性質量体１０６と可動電極１０５とを連結している。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に、静電容量型の加速度センサに関するものである。

従来の容量型の加速度センサは、たとえば、単結晶シリコンから成る基板と、その基板上に形成された厚さ数μｍ〜十数μｍのポリシリコン（多結晶シリコン）薄膜から成る導電性の可動構造体とを有する。可動構造体は、基板上に堆積させたポリシリコン薄膜をエッチング加工して形成された慣性質量体と梁とを有する。慣性質量体は、その梁により空隙を介して基板上に宙支されている。また、慣性質量体は、一対の可動電極を有しており、基板上に設けられた一対の固定電極と空隙を介して対向し、二組のコンデンサを形成する。加速度による慣性力が慣性質量体に作用すると、二組のコンデンサの静電容量は、可動電極の変位により一方が増大し、他方が減少して差動容量変化を起こす。すなわち、加速度センサに加速度が加わると、可動電極は梁のバネ復元力と加速度に質量を乗じた慣性力とが釣り合う位置に変位する。従来の容量型の加速度センサは、この時の可動電極の変位量を、二組のコンデンサの差動容量変化として外部検出回路で換算して加速度を検出する（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５-１７２５４３号公報

エアバッグシステムなどに用いられる加速度センサは、一般的に検出周波数範囲がＤＣ〜数百Ｈｚである。それ以上の周波数成分は、ローパスフィルタで除去される。

エアバッグ用の加速度センサでは、衝撃による車体の共振現象などで、高周波で過大な加速度が入力し、可動電極が固定電極と接触する場合がある。加速度による変位により可動電極と固定電極とが接触しなければ、高周波成分はローパスフィルタで除去される。しかしながら、可動電極が固定電極と接触すると、加速度センサの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）もしくはロー（Ｌｏｗ）に張り付くことにより、エアバッグシステムの衝突判定が正しく行われない場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波の過大加速度に対して、可動電極が固定電極と接触する機会を格段に減少させる加速度センサを提供することである。

本発明の加速度センサは、基板と、面内変位体と、面外変位体と、リンク梁とを有している。面内変位体は、基板の表面に対して面内に変位可能なように基板に支持されている。面外変位体は、基板と対向するように配置され、基板の表面に対して面外に変位可能なように基板に支持されている。リンク梁は、面内変位体の面内変位を面外変位体の面外変位に変換するように面内変位体と面外変位体とを連結している。

本発明の加速度センサによれば、面内変位を面外変位に変換することで、面外変位体がスクイズフィルムダンピング効果による減衰を受けることにより、可動電極が固定電極と接触する機会を格段に減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本実施の形態の加速度センサの構成について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態の加速度センサは、主に、慣性質量体アンカー１０１と、可動電極アンカー１０２と、曲げ梁１０３と、捩れ梁１０４と、可動電極（面外変位体）１０５と、慣性質量体（面内変位体）１０６と、リンク梁１０７と、アクチュエーション電極１０８、１０９と、基板２００と、固定電極２０１、２０２と、第一の絶縁膜２０３と、第二の絶縁膜２０４とを有している。

慣性質量体アンカー１０１は、基板２００に支持されている。慣性質量体１０６は、曲げ梁１０３を介して慣性質量体アンカー１０１に支持されている。これにより、慣性質量体１０６は、基板２００の表面に対して面内に変位可能なように基板２００に支持されている。ここで、基板２００の表面に対して面内に変位可能とは、基板２００の表面と平行な面内の方向に変位できることを意味している。

可動電極アンカー１０２は、基板２００に支持されている。可動電極１０５は、捩れ梁１０４を介して可動電極アンカー１０２に支持されている。

捩れ梁１０４は、可動電極１０５の図２中の下側の部分に接続されている。またリンク梁１０７は、慣性質量体１０６と可動電極１０５とを連結しており、特に可動電極１０５の図２中の上側の部分に接続されている。

これにより、可動電極１０５は、基板２００の表面に対して面外に変位可能なように基板２００に支持されている。ここで、基板２００の表面に対して面外に変位可能とは、基板２００の表面と平行な面内以外の方向に変位できることを意味している。

この可動電極１０５は、図２中の下側部分で捩れ梁１０４に支持されているため、慣性質量体１０６の面内変位による力がリンク梁１０７を介して可動電極１０５の図２中の上側部分に作用すると可動電極１０５にはトルクが生じて可動電極１０５の面外変位が可能になる。

また可動電極１０５は、その下面が基板２００の表面と対向するように配置されている。そして、可動電極１０５と対向する基板２００の表面に、第一の絶縁膜２０３を介して固定電極２０１、２０２が配置されている。これにより、固定電極２０１、２０２のそれぞれは可動電極１０５の下面と対向し、可動電極１０５との間で静電容量Ｃ１、Ｃ２を構成している。Ｃ１は、可動電極１０５と固定電極２０１との間の静電容量であり、Ｃ２は、可動電極１０５と固定電極２０２との間の静電容量である。

アクチュエーション電極１０８は、慣性質量体１０６の一方側に配置されており、アクチュエーション電極１０９は、慣性質量体１０６の一方側とは反対側に配置されている。これにより、アクチュエーション電極１０８、１０９のそれぞれは、慣性質量体１０６の側面と対向し、慣性質量体１０６との間で電気的に静電引力を発生させることができる。アクチュエーション電極１０８、１０９は、それぞれアクチュエーション電極配線１１０、１１１と基板２００上で接続されている。基板２００と固定電極２０１、２０２とは、第一の絶縁膜２０３および第二の絶縁膜２０４により電気的に分離されている。基板２００と慣性質量体アンカー１０１および可動電極アンカー１０２とは、第一の絶縁膜２０３および第二の絶縁膜２０４により電気的に分離されている。

慣性質量体アンカー１０１と、可動電極アンカー１０２と、曲げ梁１０３と、捩れ梁１０４と、可動電極１０５と、慣性質量体１０６と、リンク梁１０７と、アクチュエーション電極１０８、１０９との材質としては、たとえばポリシリコン膜を用いることができる。基板２００の材質としては、たとえば単結晶シリコンを用いることができる。第一の絶縁膜２０３の材質としては、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。第二の絶縁膜２０４の材質としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。

また本実施の形態の加速度センサは、上記の静電容量Ｃ１、Ｃ２から加速度を得るための加速度検出回路を有している。この加速度検出回路は、図３に示すように直列に接続された検出容量Ｃ１、Ｃ２と、その検出容量Ｃ１とＣ２との間に接続されたＣ−Ｖ変換回路と、そのＣ−Ｖ変換回路に接続されたセンサ出力回路とを有している。

なお、直列に接続された検出容量Ｃ１、Ｃ２の一端（つまり、固定電極２０１）は定電圧Ｖｓが印加されるよう構成されており、他端（つまり、固定電極２０２）は接地電位が印加されるよう構成されている。

次に本実施の形態の加速度センサの検出原理について説明する。
図２を参照して、本実施の形態の加速度センサに、基板２００の表面と平行な矢印２０５の方向に加速度Ａｘが印加されると、慣性質量体１０６は、慣性の法則に従って、加速度Ａｘの方向とは反対の矢印２０６の方向に慣性力を受け、矢印２０６の方向に面内変位する。この際、慣性質量体１０６と連結する曲げ梁１０３がバネ効果で曲がり、曲げ梁１０３に復元力が蓄積される。上記の慣性質量体１０６の面内変位により、リンク梁１０７を介して可動電極１０５の図２中の上側部分には矢印２０６と同じ方向の力が加わる。このとき、可動電極１０５の図２中の下側部分は捩れ梁１０４により支持されている。このため、図２中において捩れ梁１０４の上端に位置する点２０７を中心として回転矢印２０８の方向にトルクが発生する。このトルクにより捩れ梁１０４は点２０７を中心として回転矢印２０８の方向に面外変位する。すなわち可動電極１０５は、点２０７を通り基板２００の表面に対して平行な軸２０９に回転可能に基板２００に支持されている。またリンク梁１０７は、基板２００の表面に対して軸２０９より上方で可動電極１０５と連結された部分を有している。このようにして、慣性質量体１０６の面内変位が可動電極１０５の面外変位に変換される。可動電極１０５が回転矢印２０８の方向に回転すると、可動電極１０５と固定電極２０１の距離が遠くなるので静電容量Ｃ１が減少し、可動電極１０５と固定電極２０２との距離が近くなるので静電容量Ｃ２が増大する。

上記の静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化から、図３に示す加速度検出回路を用いて加速度が検出される。図３を参照して、この加速度の検出に際しては、まず直列に接続された検出容量Ｃ１、Ｃ２の一端には定電圧Ｖｓが印加され、他端には接地電位が印加される。そして検出容量Ｃ１、Ｃ２の中間電位ＶｍがＣ−Ｖ変換回路で検出される。中間電位Ｖｍのゼロ点出力および出力感度を調整した後、加速度に応じた電圧がセンサ出力調整回路より出力される。

このとき、中間電位Ｖｍは、下記の値となる。
Ｖｍ=Ｖｓ×Ｃ１／(Ｃ１＋Ｃ２)
上記のＣ１／(Ｃ１＋Ｃ２)は、可動電極１０５の回転変位量に比例する。また可動電極１０５の回転変位量は、加速度Ａｘに比例する。よって、この加速度検出回路により、加速度センサに作用する加速度が検出される。

また本実施の形態の加速度センサは、自己診断機能を有している。
図１を参照して、アクチュエーション電極１０８と慣性質量体１０６との間に電圧が印加されると、静電引力により慣性質量体１０６がアクチュエーション電極１０８側に変位する。この慣性質量体１０６の変位を、可動電極１０５と固定電極２０１および固定電極２０２との間の静電容量変化として観測することにより、センサ動作を自己診断することができる。

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。
図５（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ａ）、（Ｂ）および図７は、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図５（Ａ）、図６（Ａ）および図７は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した概略断面図であり、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）は図１のＶ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ）線に沿う断面に対応した概略断面図である。

最初に、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、単結晶シリコンからなる基板２００の表面に、シリコン酸化膜からなる第一の絶縁膜２０３が、熱酸化法で典型的には厚さ２μｍで形成される。

次に、第一の絶縁膜２０３上に、導電性の第一のポリシリコン膜が、典型的には厚さ０．５μｍで形成される。その後、写真製版とドライエッチングにより、第一のポリシリコン膜がパターニングされる。これにより、第一のポリシリコン膜から固定電極２０１、２０２、配線１１０、１１１が形成される。また、これ以外に、図示していないが、第一のポリシリコン膜から固定電極２０１、２０２の配線、可動電極１０５の配線、慣性質量体アンカー１０１を基板２００に固定するためのポリシリコンパッドなども形成される。

次に、パターニングされた第一のポリシリコン膜上に、シリコン窒化膜２０４が、典型的には厚さ０．２μｍで形成される。この後、固定電極２０１、２０２、可動電極１０５の配線、アクチュエーション電極の配線１１０、１１１およびポリシリコンパッド上のシリコン窒化膜２０４が、写真製版とドライエッチングにより除去され、窓明けされる。

次に、ＰＳＧ膜（Phospho−Silicate−Glass：リンガラス）などの第一の犠牲層膜１２０１が、典型的には厚さ２μｍで形成される。慣性質量体アンカー１０１（図１）、可動電極アンカー１０２（図１）、アクチュエーション電極１０８、１０９（図１、図２）のそれぞれが形成される位置のＰＳＧ膜が写真製版とウエットエッチングにより除去され、窓明けされる。

次に、第二の導電性のポリシリコン膜１２０２が、典型的には厚さ４μｍで形成される。

次に、図５（Ｂ）に示すようにリンク梁１０７（図１、図２）の下方に空隙を設けるため、写真製版とドライエッチングにより、第二のポリシリコン膜１２０２がリンク梁１０７と同一平面形状でエッチング除去されて溝部３０１が形成される。ＰＳＧ膜などの第二の犠牲層膜１２０３が第二のポリシリコン膜１２０２の厚さ以上の厚さで形成され、溝部３０１が第二の犠牲層膜１２０３で完全に埋め込まれる。第二のポリシリコン膜１２０２上に堆積した不要な第二の犠牲層膜１２０３は、ＣＭＰ法（化学機械研磨法）で第二のポリシリコン膜１２０２表面と同じ高さになるまで研磨されて除去される。これにより、第二のポリシリコン膜１２０２の溝部３０１にのみ第二の犠牲層膜１２０３が埋め込まれた状態となる。

次に、図５（Ａ）に示すように可動電極１０５の捩れ梁１０４（図１、図２）となる部位上に捩れ梁１０４の平面寸法と同一寸法のＣＶＤ酸化膜１２０４が、ＣＶＤ法(化学気相成長法)により典型的には厚さ０．６μｍで形成される。

次に、第三の導電性のポリシリコン膜１２０５が、第二のポリシリコン膜１２０２上を覆うように典型的には厚さ４μｍで形成される。

次に、図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して、写真製版とドライエッチングにより、第三のポリシリコン膜１２０５および第二のポリシリコン膜１２０２が、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す形状に加工される。これにより、第二のポリシリコン膜１２０２、第三の導電性のポリシリコン膜１２０５から慣性質量体アンカー１０１、可動電極アンカー１０２、曲げ梁１０３、捩れ梁１０４、可動電極１０５、慣性質量体１０６、リンク梁１０７、アクチュエーション電極１０８、１０９が形成される。

また第二のポリシリコン膜１２０２のドライエッチングは、ドライエッチングの特性によって第一の犠牲層膜１２０１上で自動的に停止する。捩れ梁１０４上に堆積した第三のポリシリコン膜１２０５は、このとき同時にエッチング除去される。捩れ梁１０４上の第三のポリシリコン膜１２０５のエッチングは、第二のポリシリコン膜１２０２のエッチングが始まる前に、第二のポリシリコン膜１２０２上に形成したＣＶＤ酸化膜１２０４によって自動的に停止する。他の領域で第二のポリシリコン膜１２０２のエッチングが進行しても、ＣＶＤ酸化膜１２０４の下の第二のポリシリコン膜１２０２はエッチングされずに残るので、捩れ梁１０４が形成できる。

この後、各ポリシリコン配線の終端部にスパッタ法などの薄膜形成装置で外部と電気接続するための金属パッドが形成される。この状態では、可動部となるべき部分は、第一の犠牲層膜１２０１および第二の犠牲層膜１２０３に固定されているので可動することができない。この後、ＰＳＧ膜などの犠牲層膜１２０１、１２０３がウェットエッチングで除去される。

次に、図７を参照して、上記のウェットエッチングによるリリース（開放）工程により、リンク梁１０７の下側領域と可動電極１０５、慣性質量体１０６、曲げ梁１０３、捩れ梁１０４の下側領域に空隙が生じ、可動部が可動可能とされる。

以上により、図１、図２に示す本実施の形態の加速度センサが製造される。
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。

図４は、本実施の形態の加速度センサに加速度が加えられた際の面外変位体の動作を示す図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。

図４を参照して、面内変位体である慣性質量体１０６に高周波の過大加速度Ａｘが基板２００に平行な矢印４０１方向に印加されたとき、慣性質量体１０６は、慣性の法則に従って反対向きの矢印４０２の方向に面内変位する。この慣性質量体１０６の面内変位により、リンク梁１０７で連結された可動電極１０５も、捩れ梁１０４の先端に位置する点４０５を中心として、回転矢印４０４の方向に面外変位する。これにより固定電極２０１および固定電極２０２と可動電極１０５との距離が急激に変わる。可動電極１０５と固定電極２０１との間には、加速度センサの可動部を密閉保護するために行う気密封止の際に封入された気体４０３が存在する。気体４０３は、可動電極１０５の急激な動きに追随できず気体４０３の粘性による抵抗力を発生する。すなわち可動電極１０５は、気体４０３から回転矢印４０４の方向の面外変位と反対向きの抗力を受ける。この抗力により、可動電極１０５は、急激な変位が抑制され、減衰される。可動電極１０５の減衰は、リンク梁１０７を介して逆向きに慣性質量体１０６に伝達される。慣性質量体１０６の急激な変位が減衰されることにより、加速度センサは高周波過大加速度に対する耐性が強くなる。

上記効果は、スクイズフィルムダンピング効果として知られている。スクイズフィルムダンピング効果は、周波数依存性を持ち、周波数が高くなるとダンピング効果は大きくなる。スクイズフィルムダンピング効果が発揮されるためには、可動電極１０５と固定電極２０１との間の距離が狭く、可動電極１０５と固定電極２０１との対向面積が大きいことが必要である。

一般に、面内の加速度を検出する加速度センサは、一対の電極を面内で対向するように形成する。したがってその電極の対向面積は、ポリシリコン膜厚に依存する。しかしながらポリシリコン膜厚は、ポリシリコン成膜上の制限からむやみに厚くできない。このため、面内の加速度を検出する加速度センサでは、図１および図２の可動電極１０５と固定電極２０１のように対向面積を大きくとれないので、図１および図２の可動電極１０５と固定電極２０１の電極間に生成するような大きなスクイズフィルムダンピング効果が期待できない。よって面内の加速度を検出する加速度センサは、高周波過大加速度に対する耐性が弱く、可動電極の破損や出力の張り付きが起こる。

本実施の形態によれば、加速度センサは、慣性質量体１０６に発生した面内の変位を可動電極１０５の面外変位に変換して検出するという機構にしているので、スクイズフィルムダンピング効果を生起するのに必要な、可動電極１０５と固定電極２０１との対向面積が大きく、可動電極１０５と固定電極２０１との空間距離が短く、その空間には適度な圧力の気体が存在するとの条件を備えることができる。このため、本実施の形態の加速度センサは、スクイズフィルムダンピング効果により可動電極１０５が固定電極２０１、２０２と接触する機会を格段に減少させることができる。したがって、本実施の形態の加速度センサは、面内の加速度を検出する加速度センサでありながら、高周波過大加速度に対する耐性が強いという特徴を有する。

そのため、本実施の形態の加速度センサは、センサの出力がハイもしくはローに張り付き、加速度を誤検出する危険性を大幅に回避することができる。よって長期にわたり精度の高い加速度の検出をすることができる。また、本実施の形態の加速度センサは、慣性質量体１０６に発生した面内の加速度を可動電極１０５の面外変位に変換して検出することができるので、可動電極１０５の基板表面に対する投影面積を大きくすることで検出される静電容量を大きくすることにより、加速度検出感度を高感度にすることができる。

また、慣性質量体１０６の変位方向で慣性質量体１０６と対向するように基板２００に支持され、慣性質量体１０６との間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション電極１０８、アクチュエーション電極１０９のいずれか一方かまたは両者をさらに備えていることが好ましい。これにより、慣性質量体１０６の変位を、可動電極１０５と固定電極２０１、２０２との間の静電容量変化として検出することにより、センサを自己診断することができる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における加速度センサの平面図である。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成と比較して、アクチュエーション電極および可動電極の構成と、リンク梁の構成とにおいて主に異なっている。

またアクチュエーション電極は、アクチュエーション固定櫛歯電極８０２、８０３を有している。アクチュエーション固定櫛歯電極８０２、８０３は、基板２００の表面と平行な面内における慣性質量体１０６が変位する方向で可動櫛歯電極８０１と対向するように基板２００に支持されている。またリンク梁１０７が、慣性質量体１０６の上面と可動電極１０５の上面とに接続されている。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の加速度センサによれば、慣性質量体１０６に設置した可動櫛歯電極８０１とアクチュエーション固定櫛歯電極８０２、８０３との間に静電引力を発生させることにより、センサの自己診断をすることができる。

本実施の形態の加速度センサによれば、実施の形態１と同様に、面内変位体である慣性質量体１０６の面内変位をリンク梁１０７と捩れ梁１０４を介して可動電極１０５の面外変位に変換し、可動電極１０５と固定電極２０１、２０２との間の静電容量変化として検出することにより加速度の検出を行うことができる。

本実施の形態によれば、加速度センサは、複数の可動櫛歯電極８０１を有している。加速度センサは、慣性質量体１０６の変位方向で可動櫛歯電極８０１と対向するように基板２００に支持され、可動櫛歯電極８０１との間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション固定櫛歯電極８０２、８０３を有している。本実施の形態の加速度センサは、複数の可動櫛歯電極８０１を設けているため、可動櫛歯電極８０１とアクチュエーション固定櫛歯電極８０２、８０３との間に外部から電気エネルギーを与えて静電引力を発生させた場合、個々の可動櫛歯電極とアクチュエーション固定櫛歯電極との間に働く静電引力が小さくても、合成された静電引力が大きなものとなるため、低いアクチュエーション電圧でも強いアクチュエーション力を有する。したがって、本実施の形態の加速度センサは、アクチュエーション出力の増加、アクチュエーション電圧の低電圧化、アクチュエーション精度向上などの利点を有する。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を示す平面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿う部分の概略断面図である。図１１は、図９のＸＩ−ＸＩ線に沿う部分の概略断面図である。

図９〜図１１を参照して、本実施の形態の加速度センサは、主に慣性質量体アンカー１０１と、曲げ梁１０３と、捩れ梁１０４と、慣性質量体１０６と、リンク梁１０７と、アクチュエーション電極１０８、１０９と、基板２００と、第一の絶縁膜２０３と、第二の絶縁膜２０４と、アクチュエーション電極１０８、１０９と、捩れフレームアンカー５０５と、捩れフレーム（面外変位体）５０８と、櫛歯状の可動電極（面内変位体）５１０と、固定電極５１１、５１２とを有している。

慣性質量体アンカー１０１は、基板２００に支持されている。慣性質量体１０６は、曲げ梁１０３を介して慣性質量体アンカー１０１に支持されている。これにより、慣性質量体１０６は、基板２００の表面に対して面内に変位可能なように基板２００に支持されている。基板２００と慣性質量体アンカー１０１とは、第一の絶縁膜２０３および第二の絶縁膜２０４により電気的に分離されている。

捩れフレームアンカー５０５は、基板２００に支持されている。捩れフレーム５０８は、捩れ梁１０４を介して捩れフレームアンカー５０５に支持されている。捩れ梁１０４は、捩れフレーム５０８の図１０中の下側の部分に接続されている。また、リンク梁１０７は、慣性質量体１０６と捩れフレーム５０８とを連結している。

これにより、捩れフレーム５０８は、基板２００の表面に対して面外に変位可能なように基板２００に支持されている。つまり、捩れフレーム５０８は、図１０中の下側部分で捩れ梁１０４に支持されているため、慣性質量体１０６の面内変位による力がリンク梁１０７を介して捩れフレーム５０８の図１１中の上面部分に作用すると、捩れフレーム５０８にはトルクが生じて捩れフレーム５０８の面外変位が可能になる。

櫛歯状の可動電極５１０は、固定電極５１１と５１２とに挟まれた状態で慣性質量体１０６の長辺側に配置されている。櫛歯状の可動電極５１０は、慣性質量体１０６の基板２００の表面と平行な面内における慣性質量体１０６が変位する方向で固定電極５１１、５１２と対向するように配置されている。これにより、固定電極５１１、５１２のそれぞれは、櫛歯状の可動電極５１０との間で静電容量Ｃ１、Ｃ２を構成している。

アクチュエーション電極１０８、１０９は、捩れフレーム５０８の下面と対向するように基板２００の表面に配置されている。アクチュエーション電極１０８、１０９は、アクチュエーション電極配線１１０、１１１と基板表面で接続されている。基板２００と捩れフレームアンカー５０５とは、第一の絶縁膜２０３および第二の絶縁膜２０４により電気的に分離されている。

慣性質量体アンカー１０１と、曲げ梁１０３と、捩れ梁１０４と、慣性質量体１０６と、リンク梁１０７と、アクチュエーション電極１０８、１０９、捩れフレームアンカー５０５、捩れフレーム５０８、櫛歯状の可動電極５１０、固定電極５１１、５１２との材質としては、たとえばポリシリコン膜を用いることができる。基板２００の材質としては、たとえば単結晶シリコンを用いることができる。第一の絶縁膜２０３の材質としては、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。第二の絶縁膜２０４の材質としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。

次に、本実施の形態の加速度センサの加速度検出動作を説明する。
図１０を参照して、加速度センサに基板２００と平行な矢印７０３の方向に加速度Ａｘが印加されると、慣性質量体１０６は、慣性の法則に従って、加速度の方向とは反対の矢印７０４の方向に慣性力を受け、基板２００と平行な矢印７０４の方向に面内変位する。この際、慣性質量体１０６と連結している曲げ梁１０３がバネ効果で曲がり、曲げ梁１０３に復元力が蓄積される。上記の慣性質量体１０６の面内変位により、リンク梁１０７を介して捩れフレーム５０８の図１０中の上側部分には矢印７０４と同じ方向の力が加わる。このとき、捩れフレーム５０８の図２中の下側部分は捩れ梁１０４により支持されている。このため、図１０中において捩れ梁１０４の上端に位置する点６０１を中心として回転矢印６０２の方向にトルクが発生する。このトルクにより捩れ梁１０４は点６０１を中心として回転矢印６０２の方向に面外変位する。このようにして、慣性質量体１０６の面内変位が捩れフレーム５０８の面外変位に変換される。捩れフレーム５０８が回転矢印６０２の方向に回転すると、櫛歯状の可動電極５１０と固定電極５１２の距離が近くなるのでＣ２が増大し、櫛歯状の可動電極５１０と固定電極５１１との距離が遠くなるのでＣ１が減少する。

本実施の形態の加速度センサの検出回路は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

また本実施の形態の加速度センサは、自己診断機能を有している。
図１１を参照して、アクチュエーション電極１０９と捩れフレーム５０８との間に電圧を印加すると、静電引力により捩れフレーム５０８が捩れ梁１０４を中心に、アクチュエーション電極１０９側に変位する。この捩れフレーム５０８の変位を、櫛歯状の可動電極５１０と固定電極５１１、５１２との間の静電容量変化として観測することにより、センサ動作を自己診断することができる。

次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
図１１を参照して、慣性質量体１０６に高周波の過大加速度Ａｘが基板２００に平行な矢印７０３方向に印加されたとき、慣性質量体１０６は、慣性の法則に従って反対向きの矢印７０４の方向に面内変位する。この慣性質量体１０６の変位により、リンク梁１０７で連結された捩れフレーム５０８は、捩れ梁１０４の先端に位置する点６０１を中心に、回転矢印６０２の方向に回転変位する。これにより捩れフレーム５０８と基板上面との距離が急激に変わる。捩れフレーム５０８と基板上面との間には、加速度センサの可動部を密閉保護するために行う気密封止の際に封入された気体４０３が存在する。気体４０３は、捩れフレーム５０８の急激な動きに追随できず気体４０３の粘性による抵抗力を発生する。すなわち捩れフレーム５０８は、気体４０３から回転矢印４０４の方向の面外変位と反対向きの抗力を受ける。この抗力により、捩れフレーム５０８は、急激な変位が抑制され、減衰される。捩れフレーム５０８の減衰は、リンク梁１０７を介して逆向きに慣性質量体１０６に伝達される。これにより櫛歯状の可動電極５１０と固定電極５１１、５１２との接触を防ぐことができる。慣性質量体１０６の急激な変位が減衰されることにより、加速度センサは高周波過大加速度に対する耐性が強くなる。

本実施の形態の加速度センサは、リンク梁１０７を介して、捩れフレーム５０８にスクイズフィルムダンピング効果を生起させる構造を採用しているので、捩れフレーム５０８がスクイズフィルムダンピング効果による減衰を受けることにより、櫛歯状の可動電極５１０が固定電極５１１、５１２と接触する機会を格段に減少させることができる。これにより、面内の加速度を検出するセンサでありながら、櫛歯状の可動電極５１０の破損や出力の張り付きを回避でき、信頼性の高いセンサが得られるという特徴を有する。また、本実施の形態の加速度センサは、慣性質量体１０６に働く慣性力と慣性質量体１０６の面内変位すなわち櫛歯状の可動電極５０１の面内変位が、正確にフックの法則に従うため線形性が非常に高いという利点がある。また捩れフレーム５０８により自己診断機能と高周波過大加速度を減衰させるスクイズフィルムダンピング効果が実現されるので、捩れフレーム５０８の寸法を必要十分な範囲で小さくすることができる。したがって、大きな減衰効果を有する加速度センサを小型に製造することができる。

また、捩れフレーム５０８と対向する基板２００の表面に形成され、捩れフレームとの間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション電極１０８、アクチュエーション電極１０９のいずれか一方かまたは両者をさらに備えていることが好ましい。これにより、捩れフレーム５０８の変位を、櫛歯状の可動電極５１０と固定電極５１１、５１２との間の静電容量変化として検出することにより、センサを自己診断することができる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における加速度センサの構成を示す平面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。

図１２および図１３を参照して、本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成と比較して、図１２の平面視において慣性質量体１０６の両側に可動電極１０５およびリンク梁１０７が配置されている点において異なっている。

本実施の形態の加速度センサにおいては、可動電極（面外変位体）１０５は、慣性質量体（面内変位体）１０６の一方側に配置された第一の可動電極１０５と、慣性質量体１０６の他方側に配置された第二の可動電極１０５とを有し、リンク梁１０７は、第一の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第一のリンク梁と、第二の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第二のリンク梁とを有している。

第一の可動電極１０５と第二の可動電極１０５とは、平面視で第一の可動電極１０５と第二の可動電極１０５が慣性質量体１０６を挟んで配置される方向と垂直な方向の軸であって、慣性質量体１０６の中心を通る軸に対して線対称に配置されている。

また、実施の形態３における慣性質量体１０６の平面視における両側の各々に可動電極１０５およびリンク梁１０７が配置されてもよい。

本実施の形態によれば、可動電極１０５は、慣性質量体１０６の一方側に配置された第一の可動電極１０５と、慣性質量体１０６の他方側に配置された第二の可動電極１０５とを有する。リンク梁１０７は、第一の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第一のリンク梁１０７と、第二の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第二のリンク梁１０７とを有する。このため、慣性質量体１０６の両側に可動電極１０５を配置することにより、加速度検出感度および高周波過大加速度の減衰効果を実施の形態１に対して倍にすることができる。

また、本実施の形態の加速度センサによれば、構造物を左右対称に配置することで、外界から熱を受けた時に発生する熱歪が左右対称に発生するようになるので、中央に配置した慣性質量体１０６が受ける影響を相殺することができ、熱歪による特性の不安定性を回避することができる。したがって、加速度検出感度を高くすることができ、また、優れた長期の信頼性を得ることができる。

（実施の形態５）
図１４は、本実施の形態５における加速度センサの構成を示す平面図である。図１４を参照して、本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成と比較して、図１４の平面視において慣性質量体１０６の四方の各々に可動電極１０５およびリンク梁１０７が配置されている点において異なっている。

本実施の形態の加速度センサにおいては、可動電極（面外変位体）１０５は、平面視における慣性質量体（面内変位体）１０６の周囲の四方のうち第一方に配置された第一の可動電極１０５と、第一方と反対の第二方に配置された第二の可動電極１０５と、第一方に隣接するうちの一方である第三方に配置された第三の可動電極１０５と、第三方と反対の第四方に配置された第四の可動電極１０５とを有し、リンク梁１０７は、第一の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第一のリンク梁１０７と、第二の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第二のリンク梁１０７と、第三の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第三のリンク梁１０７と、第四の可動電極１０５と慣性質量体１０６とを連結する第四のリンク梁１０７とを有している。

第一の可動電極１０５と第二の可動電極１０５とは、平面視で第一の可動電極１０５と第二の可動電極１０５が慣性質量体１０６を挟んで配置される方向と垂直な方向の軸であって、慣性質量体１０６の中心を通る軸に対して線対称に配置されている。第三の可動電極１０５と第四の可動電極１０５とは、平面視で第三の可動電極１０５と第四の可動電極１０５が慣性質量体１０６を挟んで配置される方向と垂直な方向の軸であって、慣性質量体１０６の中心を通る軸に対して線対称に配置されている。また、第一の可動電極１０５と第三の可動電極１０５および第四の可動電極とは、平面視で慣性質量体１０６の中心点を中心に正負９０度回転したときに対称となるように配置されている。

また、実施の形態３における慣性質量体１０６の平面視における四方のそれぞれに可動電極１０５およびリンク梁１０７が配置されてもよい。

本実施の形態によれば、図１４に示すように平面視における慣性質量体１０６の四方のそれぞれに可動電極１０５と、リンク梁１０７とが配置されているため、面内の一方向だけでなく、それに直角な方向の加速度も検出可能な、いわゆる二軸加速度センサを得ることができる。慣性質量体１０６に対して可動電極１０５が上下左右対称に配置されることで、外界から熱を受けた時に熱歪が上下左右対称に発生するので、中央に配置した慣性質量体１０６が受ける影響を相殺することができる。したがって、本実施の形態の加速度センサによれば、熱歪による特性の不安定性を回避することができる。よって、加速度検出感度を高くすることができ、また、優れた長期信頼性を得ることができる。また、本実施の形態の加速度センサによれば、面内二軸方向の加速度を同時に検出することができる。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、静電容量型の加速度センサに特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。本実施の形態１の加速度センサの検出回路の概略構成図である。加速度が加えられた際の面外変位体の動作を示す図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図（Ａ）と、図１のＶ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ）線に沿う断面に対応した図（Ｂ）である。本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図（Ａ）と、図１のＶ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ）線に沿う断面に対応した図（Ｂ）である。本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図である。本発明の実施の形態２における加速度センサの平面図である。本発明の実施の形態３における加速度センサの構成を示す平面図である。図９のＸ−Ｘ線に沿う部分の概略断面図である。図９のＸＩ−ＸＩ線に沿う部分の概略断面図である。本発明の実施の形態４における加速度センサの構成を示す平面図である。図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。本実施の形態５における加速度センサの構成を示す平面図である。

符号の説明

１０１慣性質量体アンカー、１０２可動電極アンカー、１０３曲げ梁、１０４捩れ梁、１０５，５１０，８０１可動電極、１０６慣性質量体、１０７リンク梁、１０８，１０９アクチュエーション電極、１１０，１１１アクチュエーション電極配線、２００基板、２０１，２０２，５１１，５１２固定電極、２０３第一の絶縁膜、２０４第二の絶縁膜、２０５，４０１，７０３矢印（Ａｘ方向）、２０６，４０２，７０４矢印（慣性力方向）、２０７，４０５，６０１点、２０８，４０４，６０２回転矢印、２０９軸、４０３気体、５０５捩れフレームアンカー、５０８捩れフレーム、８０１櫛歯状の可動電極、８０２，８０３アクチュエーション固定櫛歯電極、１２０１第一の犠牲層膜、１２０２第二のポリシリコン膜、１２０３第二の犠牲層膜、１２０４ＣＶＤ酸化膜、１２０５第三のポリシリコン膜。

Claims

基板と、
前記基板の表面に対して面内に変位可能なように前記基板に支持された面内変位体と、
前記基板と対向するように配置され、前記基板の表面に対して面外に変位可能なように前記基板に支持された面外変位体と、
前記面内変位体の面内変位を前記面外変位体の面外変位に変換するように前記面内変位体と前記面外変位体とを連結するリンク梁とを備えた、加速度センサ。
前記面外変位体は前記基板の表面に対して平行な軸に回転可能に前記基板に支持され、前記リンク梁は前記基板の表面に対して前記軸より上方で前記面外変位体と連結された部分を有する、請求項１に記載の加速度センサ。
前記面内変位体は慣性質量体であり、
前記面外変位体は可動電極である、請求項１または２に記載の加速度センサ。
前記面内変位体の変位方向で前記面内変位体と対向するように前記基板に支持され、前記面内変位体との間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション電極をさらに備えた、請求項３に記載の加速度センサ。
前記面内変位体は、複数の可動櫛歯電極を有し、
前記アクチュエーション電極は、前記面内変位体の変位方向で前記可動櫛歯電極と対向するように前記基板に支持され、前記可動櫛歯電極との間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション固定櫛歯電極を有する、請求項４に記載の加速度センサ。
前記面内変位体は可動電極であり、
前記面外変位体は捩れフレームである、請求項１または２に記載の加速度センサ。
前記面外変位体と対向する前記基板の表面に形成され、前記面外変位体との間に電気的に静電引力を発生させるアクチュエーション電極をさらに備えた、請求項６に記載の加速度センサ。
前記面外変位体は、前記面内変位体の一方側に配置された第一の面外変位体と、前記面内変位体の他方側に配置された第二の面外変位体とを有し、
前記リンク梁は、前記第一の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第一のリンク梁と、前記第二の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第二のリンク梁とを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の加速度センサ。
前記面外変位体は、平面視における前記面内変位体の周囲の四方のうち第一方に配置された第一の面外変位体と、前記第一方と反対の第二方に配置された第二の面外変位体と、前記第一方に隣接するうちの一方である第三方に配置された第三の面外変位体と、前記第三方と反対の第四方に配置された第四の面外変位体とを有し、
前記リンク梁は、前記第一の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第一のリンク梁と、前記第二の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第二のリンク梁と、前記第三の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第三のリンク梁と、前記第四の面外変位体と前記面内変位体とを連結する第四のリンク梁とを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の加速度センサ。