(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化に応じて変位する第１可動部および第２可動部と、
前記第１可動部および前記第２可動部との間でそれぞれ静電容量を形成する固定部と、
前記静電容量の変化を用いて前記第１可動部の変位および前記第２可動部の変位を検出する検出部と、
前記第１可動部の周辺に配置されている第１ダミー部と、
前記第２可動部の周辺に配置されている第２ダミー部と、
前記第１可動部、前記第２可動部、前記第１ダミー部、および前記第２ダミー部に電位を印加する電位生成回路と、
を備え、
前記第１可動部、前記第２可動部、前記固定部、前記第１ダミー部、および前記第２ダミー部は、積層基板内の同一の導電層内に形成されており、
前記第１ダミー部と前記第２ダミー部は電気的に分離されており、
前記電位生成回路は、
前記第１可動部と前記第１ダミー部に第１電位を印加し、
前記第２可動部と前記第２ダミー部に第２電位を印加する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記積層基板は、支持層と、中間絶縁層と、活性層とが積層形成されてなり、
前記活性層内に、前記第１可動部、前記第２可動部、前記固定部、前記第１ダミー部、および前記第２ダミー部が形成されている
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項３】
請求項２において、
前記活性層内の前記第１ダミー部と前記第２ダミー部と間の部分に配置され、前記第１ダミー部と前記第２ダミー部を電気的に分離するギャップ部を有する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項４】
請求項２において、
前記支持層は、
前記第１可動部の下方に配置された第１支持部と、
前記第２可動部の下方に配置された第２支持部と、
を有し、
前記第１支持部と前記第２支持部は電気的に分離されており、
前記電位生成回路は、
前記第１支持部に前記第１電位を印加し、前記第２支持部に前記第２電位を印加する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項５】
請求項２において、
前記電位生成回路は、
前記第１可動部と前記第２可動部のうち、静電力によって移動する変位量が大きいほうに印加する電位と同じ電位を、前記支持層へ印加する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項６】
請求項２において、
前記支持層は接地されていることを特徴とする複合センサ。
【請求項７】
請求項１において、
前記第１可動部と前記第２可動部を覆う蓋部を備えたことを特徴とする複合センサ。
【請求項８】
請求項７において、
前記蓋部は導電体で形成されており、
前記電位生成回路は、前記蓋部に前記第１電位または前記第２電位を印加する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項９】
請求項７において、
前記蓋部は接地されていることを特徴とする複合センサ。
【請求項１０】
請求項７において、
前記電位生成回路は、
前記第１可動部と前記第２可動部のうち、静電力によって移動する変位量が大きいほうに印加する電位と同じ電位を、前記蓋部へ印加する
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項１１】
請求項１において、
前記第１可動部は、
静電力によって所定の駆動方向に振動し、角速度が印加されるとコリオリ力によって前記駆動方向と直交する方向に変位する慣性体を有する、角速度検知部として構成されており、
前記第２可動部は、
加速度が印加されると変位する慣性体を有する加速度検知部として構成されている
ことを特徴とする複合センサ。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記第１可動部と前記第２可動部を覆う蓋部を備え、
前記蓋部と前記角速度検知部の間の空間は真空封止され、
前記蓋部と前記加速度検知部の間の空間は大気圧封止されている
ことを特徴とする複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に複数のセンサを有する複合センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の走行制御装置やロボットの姿勢制御装置に使用される慣性量測定センサや制御用センサは、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術などを用いて作成される。慣性量測定センサの例として、静電容量の変化を用いて慣性量を測定するものがある。
【０００３】
慣性センサのなかには、慣性量の一種である加速度や角速度を同時に検出することができる、複合センサと呼ばれるものがある。複合センサを実現する技術として、例えば以下のようなものがある。
【０００４】
半導体プロセス技術およびマイクロマシニング技術（いわゆるＭＥＭＳ技術）の進展により、検出回路を備え、その検出回路により慣性量を検出するＭＥＭＳ型複合センサ素子が普及している。例えば、自動車の横滑り防止システムは、角速度センサと２軸の加速度センサを用いて車体に働く回転と前後・左右の加速度を検出し、エンジン出力とともに、四輪それぞれの制動力を調整し、これにより車体の走行状態を制御する。自動車の横滑り防止システムに使われるセンサは、一般に１つの角速度センサと複数の検出軸を持つ加速度センサをプリント基板上に実装した形態が多い。一方、低コスト化の要求により、複数のセンサ素子を複合化して単一のセンサ素子として構成することにより、製造コストや実装コストを低減する動きがある。
【０００５】
このような慣性センサに関する技術としては、例えば、下記特許文献１に記載されている技術が挙げられる。
【０００６】
シリコンウエハを用いてＭＥＭＳ型複合センサを形成する場合、シリコンの深堀エッチング技術によってシリコンウエハが加工される。深堀エッチング技術は、ＳＦ６ガスを主体とする化学的エッチングと、ＣＦ４ガスを主体とする化学的成膜とを繰り返し行う加工プロセス技術である。成膜の均一度やイオンの局所的なチャージアップ（電荷が流入することによる電位変動）の影響により、エッチング面積が広い部分ではブラックシリコンと呼ばれる針状のシリコンのカスが発生し、導電性のゴミとなる。このゴミはセンサの特性上好ましくない。
【０００７】
また、ガスやイオンの入り具合の違いに起因して、ウエハ面内においてシリコンウエハの厚さとギャップの比として定義される加工部のアスペクト比が大きく異なる領域が生じると、エッチングレートにばらつきが生じる。これはマイクロローディング効果と呼ばれる現象であり、被エッチング領域の開口部が小さくなるほどエッチングレートが落ちる現象である。マイクロローディング効果により、微細パターン部ほど深堀エッチングによる加工完了までの時間が長くなる。
【０００８】
このエッチング完了時間のばらつきにより、最も時間のかかる微細なパターン以外の加工パターン部は、エッチングが完了したにもかかわらずエッチャントである化学物質に晒されることになり、加工が過剰に進行する。よって、慣性体上部の寸法と慣性体底部の寸法に差異が生じて、設計通りの慣性体の加工ができず、好ましくない。そこで、被エッチング領域の開口部ばらつきを抑制することによって加工寸法ばらつきを制御することを目的として、慣性質量体、検出電極を構成する可動電極と固定電極、支持梁構造体パターンの同一平面上の周囲に、センサ性能に直接寄与しないダミーパターンが配置される。
【０００９】
導電性ゴミの削減、もしくは加工寸法ばらつきの制御を目的として設置されるダミーパターンと、慣性質量体、検出電極、支持梁、ダミーパターンを固定支持している支持層、これらの構造物を囲むもしくは覆う蓋等の導体部を、「周辺導体」と呼ぶ。この周辺導体は、単結晶シリコンや、この単結晶シリコンの上部に絶縁膜と導電性の膜が形成されたものを含む。また、慣性質量体、検出電極、支持梁、周辺導体が単結晶シリコンで形成される場合、加工後の周辺導体の表面には自然酸化膜が数ナノメートル程度の厚さで形成される。
【００１０】
慣性質量体や支持梁の周辺に配置されるダミーパターンを含む周辺導体は、電磁波や静電気によるチャージアップを防ぐため、一定電位に固定される必要がある。しかし、隣接する慣性質量体などの可動部が有する電位と異なる電位に固定されると、周辺導体と可動部の間に静電引力が発生し、センサのオフセット、感度変動、スティック、ショートのような不具合が発生する。そのため、周辺導体とこれに隣接する可動部は同じ電位にすることが望ましい。
【００１１】
下記特許文献２には、上述のような慣性センサに関する技術の例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３４３５６６５号公報
【特許文献２】特開２００９−１４５３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、前記のような慣性センサの技術について、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。
【００１４】
例えば、角速度センサと加速度センサを１つのチップ上に形成することによって複合化して複合センサとして構成する場合、角速度センサと加速度センサを構成するそれぞれの慣性質量体にはそれぞれに望ましい基準電位が存在する。
【００１５】
加速度センサについては、電源電圧Ｖｒｅｆの中間値であるＶｒｅｆ／２を基準電位とし、プラス方向の加速度が印加された場合はＶｒｅｆ／２＋ΔＶの電圧を出力し、マイナス方向の加速度が印加された場合はＶｒｅｆ／２−ΔＶの電圧を出力することが一般的である。
【００１６】
一方、角速度センサについては、高い感度を得る目的で駆動角振動数と検出側の固有角振動数を合わせるなど、固有角振動数が所定の領域に入るように制御する場合がある。固有角振動数を制御する方法としては、慣性質量体に設置される可動電極とそれに対向するよう配置され支持層に固定される固定電極との間にＤＣ的な電圧を印加して静電力を発生させることにより、見かけ上のばね定数を下げる手法がある。これはいわゆる静電ばね効果を用いたチューニング手法である。
【００１７】
この効果によって調整できる周波数範囲は、可動電極と固定電極の間の電位差によって制限されることになる。したがって、製造時の加工誤差による固有角振動数ばらつきを吸収し歩留まりを向上させるためには、角速度センサの慣性質量体に印加される電位をなるべく低くすることにより、チューニング電圧を確保する必要がある。
【００１８】
さらに、不要なチューニング効果を防ぐため、加速度センサと角速度センサともに、慣性質量体の周辺に配置させるダミーパターンには隣接する慣性質量体に印加される電位を印加することが好ましい。
【００１９】
上記の加速度センサと角速度センサを複合化せず個別に構成する場合は、慣性質量体とその周辺のダミーパターンの電位を合わせることは比較的に容易である。しかし、角速度センサと加速度センサの慣性質量体およびその周辺のダミーパターンを同一部材のワンチップ上に複合化して形成する複合センサの場合は、各慣性質量体とその周辺のダミーパターン、周辺導体となる支持層や蓋の電位を一律に設定することが難しい。
【００２０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複合センサのＳ／Ｎ比やセンサ感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る複合センサは、第１可動部および第２可動部と、これらの周辺に配置されている第１ダミー部および第２ダミー部を、積層基板の層内に形成して備えている。第１ダミー部と第２ダミー部は電気的に分離されており、第１可動部と第１ダミー部には第１電位が印加され、第２可動部と第２ダミー部には第２電位が印加される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る複合センサは、複合センサにおいて、よりＳ／Ｎ比やセンサ感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態１に係る複合センサＳ１の側断面図である。
【図２】実施形態１におけるセンサエレメントＳ１Ｅの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’面の断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】加速度検知部Ｓ１ＥＧと周辺回路の接続関係を示す図である。
【図６】角速度検知部Ｓ１ＥＹと周辺回路の接続関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る複合センサＳ１の側断面図である。複合センサＳ１は、セラミックパッケージ１５０、信号処理用のＩＣ５０、センサエレメントＳ１Ｅを有する。まず、接着剤１５１を介してセラミックパッケージ１５０に信号処理用ＩＣ５０を固定したあと、センサエレメントＳ１ＥをＩＣ５０上に接着固定する。その後、ワイヤボンディングを用いて、ＩＣ５０、角速度センサエレメントＳ１Ｅ、セラミックパッケージ１５０の外部入出力端子１５４を導電性ワイヤ１５２で接続する。最後に蓋１５３で封止すると、複合センサＳ１が完成する。
【００２６】
図示は省略するが、センサエレメントＳ１Ｅ、ＩＣ５０などの内容物を入れるパッケージとしては、セラミックパッケージ１５０の代わりにプラスチックパッケージなどを用いることもできる。すなわち、導電性ワイヤ１５２などの内容物を保護でき、外部と信号入出力ができるものであればよい。
【００２７】
図２は、本実施形態１におけるセンサエレメントＳ１Ｅの平面図である。便宜上、図３で説明するガラスキャップ１００は記載を省略している。センサエレメントＳ１Ｅは、加速度検知部Ｓ１ＥＧと角速度検知部Ｓ１ＥＹを有する。
【００２８】
加速度検知部Ｓ１ＥＧは、慣性質量体１１、支持梁構造体１２、可動電極１３、固定電極１４、懸架部１５、ダミーパターン１６、貫通電極１７を備える。
【００２９】
慣性質量体１１は、加速度検知部Ｓ１ＥＧに慣性力が加わると変位する可動部である。支持梁構造体１２は、慣性質量体１１を支持する。可動電極１３は、慣性質量体１１とともに変位し、固定電極１４との間で静電容量を形成する。慣性質量体１１の変位にともなってこの静電容量が変化し、これに基づき慣性質量体１１の移動量を検出することができる。懸架部１５は、慣性質量体１１と支持梁構造体１２を図３で説明する支持層１ａに固定・懸架する。貫通電極１７は、懸架部１５を貫通して後述するパッド１８に電気的に接続している。ダミーパターン１６は、上記各部の同一平面内の周辺に配置されており、センサ機能には直接寄与しない部位である。
【００３０】
角速度検知部Ｓ１ＥＹは、ダミーパターン１６ａ、慣性質量体２３、支持梁構造体２４を有する。ダミーパターン１６ａと１６の間には、ギャップ３０が形成されており、これにより両者は電気的に分離されている。慣性質量体２３は、角速度検知部Ｓ１ＥＹに慣性力が加わると変位する可動部である。慣性質量体２３は、駆動方向（ｘ）と検出方向（ｙ）に変位することができる。支持梁構造体２４は、慣性質量体２３を支持する。
【００３１】
加速度検知部Ｓ１ＥＧと角速度検知部Ｓ１ＥＹの動作原理などについては、各部の詳細構成と併せて後述の図５〜図６で改めて説明する。
【００３２】
本発明における「第１可動部」「第２可動部」は、慣性質量体１１および２３とこれらが有する可動電極が相当する。「固定部」は、固定電極１４および後述する検出電極２９の固定電極が相当する。「第１ダミー部」「第２ダミー部」は、ダミーパターン１６と１６ａが相当する。「電位生成回路」は、後述する基準電位２０ａ、２０ｂを供給する回路がこれに相当する。
【００３３】
図３は、図２のＡ−Ａ’面の断面図である。例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１などの基板上に、懸架部１５などセンサエレメントＳ１Ｅの機械的な構成要素を形成することができる。
【００３４】
ＳＯＩ基板１内では、支持層１ａ上に中間絶縁層１ｂが形成され、中間絶縁層１ｂ上に活性層１ｃが形成されている。支持層１ａは、例えばシリコン（Ｓｉ）で形成することができる。中間絶縁層１ｂは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成することができる。活性層１ｃは、例えば導電性シリコンで形成することができる。
【００３５】
支持層１ａと中間絶縁層１ｂとの総厚は、例えば数十〜数百μｍである。活性層１ｃの厚さは、例えば数〜数十μｍである。本実施形態１ではＳＯＩ基板を使用しているが、ＳＯＩ基板に限定されるものではなく、種々の半導体基板を用いることができる。例えば、表面ＭＥＭＳ技術を用いた導電性ポリシリコン、または、例えばニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属を活性層１ｃとして使用してもよい。
【００３６】
本実施形態１に係る複合センサＳ１の各構成要素は、ＳＯＩ基板１の活性層１ｃを加工することで形成される。活性層１ｃを加工する方法として、例えば以下のような手順が考えられる。
【００３７】
活性層１ｃ上に光や電子ビームなどに反応するレジストを塗布した後、フォトリソグラフィや電子線描画技術を利用して活性層１ｃ上のレジストの一部を除去する。次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いたドライエッチング、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）やＫＯＨ（水酸化カリウム）などアルカリ性薬品を用いたウェットエッチング技術などを用いて、露出した活性層１ｃを除去する。その後、残りのレジストを除去し、フッ酸などのガスもしくは液体を用いて中間絶縁層１ｂを除去する。
【００３８】
この際、図３に示す中間絶縁層１ｂの形状から分かるように、活性層１ｃの幅が細く形成されている部分はその下の中間絶縁層１ｂが全てなくなり、支持層１ａから浮いた状態となる。一方、活性層１ｃの幅が広く形成されている部分は、その下の中間絶縁層１ｂが残り支持層１ａに固定されることになる。このような加工を施すことにより、後述する慣性質量体１１および２３、懸架部１５、支持梁構造体１２および２４など、複合センサＳ１の機械的な構成要素を活性層１ｃ内に形成することができる。
【００３９】
図４は、図２のＢ−Ｂ’断面図である。懸架部１５内には貫通電極１７が形成されている。貫通電極１７は、懸架部１５を貫通して支持層１ａ上に形成されるパッド１８と接続される。パッド１８は、導電性ワイヤ１５２によってＩＣ５０と接続される。パッド４７は、支持層１ａに電気的に接続されており、パッド４７を介して支持層１ａに電位を付与することができる。
【００４０】
貫通電極１７は、支持層１ａ側からパッド１８を介して電気信号を与えて電位を付与するか、もしくは一定電位に固定することができるようになっている。貫通電極１７は、以下のような手順で形成することができる。
【００４１】
まず、支持層１ａ、中間絶縁層１ｂ、活性層１ｃに貫通孔を形成した後、熱酸化させることにより、貫通孔周囲に酸化膜２５を形成する。その後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）でポリシリコン１７ａを貫通孔の中に埋め込む。埋め込み時に酸化膜２５上に堆積されたポリシリコン１７ａと、熱酸化時に活性層１ｃ表面に形成された酸化膜２５を、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）やプラズマエッチング法で除去し、活性層１ｃの表面を露出させる。次に、ＣＶＤでポリシリコン１７ｂを堆積する。以上の工程により、貫通電極１７を形成することができる。
【００４２】
ポリシリコン１７ａと１７ｂを成膜する際には、２回に分けて成膜してもよい。この場合、１回目の成膜後に熱拡散によって導電性不純物をポリシリコン１７ａ、１７ｂに注入させる。これにより、ポリシリコン１７ａ、１７ｂの電気的抵抗を下げることもできる。
【００４３】
貫通電極１７を用いることにより、活性層１ｃ内に形成される各構成要素と支持層１ａの間で電気的な信号を入出力することができる。したがって、ガラスを用いた陽極接合やその他の接着剤を用いて活性層１ｃ上にキャップ１００を設置した場合でも、複合センサＳ１の外部との間で容易に信号を入出力することができる。
【００４４】
以上、複合センサＳ１の構成について説明した。次に、加速度検知部Ｓ１ＥＧの動作原理を説明する。
【００４５】
図５は、加速度検知部Ｓ１ＥＧと周辺回路の接続関係を示す図である。加速度検知部Ｓ１ＥＧに対して加速度が印加されると、慣性質量体１１が慣性の法則にしたがって変位する。このときの変位量は、可動電極１３と固定電極１４の間の静電容量の変化により算出することができる。
【００４６】
具体的には、固定電極１４に貫通電極１７を介して接続されたパッド１５ａおよび１５ｄと、可動電極１３に接続されたパッド１５ｂとの間の静電容量が変化すると、ＩＣ５０の容量電圧（ＣＶ）変換回路１９はその静電容量変化を電圧に変換し、その電圧変化量を慣性質量体１１の変位量に換算する。可動電極１３と固定電極１４の間の静電容量差は、搬送波印加回路２２と復調回路２１によって生成復調される搬送波により計測することができる。
【００４７】
一般的に搬送波は、慣性質量体１１が追従できない数百ｋＨｚの周波数帯域を用いる。高周波の搬送波（印加回路）２２を用いる理由は、以下の理由（ａ）（ｂ）による。（ａ）慣性質量体１１と支持梁構造体１２として構成される振動系のカットオフ周波数は一般に１ｋＨｚ以下であり、周波数の高い搬送波２２には追従することがないため、誤動作が生じにくい。（ｂ）高周波の搬送波２２を用いると、可動電極１３と固定電極１４によって形成されるコンデンサのＡＣ的な電気抵抗すなわちインピーダンスが低くなり、センサの感度が向上する。
【００４８】
ただし、搬送波２２の周波数が高すぎると（例えば１ＭＨｚ以上）、後述するＯＰ−ＡＭＰ１９ａの通過帯域による制限を受け、センサの感度が低下する。
【００４９】
ＣＶ変換回路１９は、ＯＰ―ＡＭＰ１９ａと参照容量Ｃｆとで構成される。ＯＰ−ＡＭＰ１９ａのプラス端子に入力される電位２０ａと慣性質量体１１の変位に比例したパッド１５ｂからの入力信号との差分を増幅することにより、出力Ｖｏが得られる。ＣＶ変換回路１７の出力Ｖｏは、下記（式１）の関係を満たす。
【００５０】
【数１】
0005425824.tif 000002
ただし、
ΔＣ：可動電極１３と固定電極１４の間の静電容量変化分
Ｖｃ：搬送波２２の振幅
Ｖｂ：ＯＰ−ＡＭＰ１９ａのプラス端子の電位２０ａ
【００５１】
ＣＶ変換回路１９を構成するＯＰ−ＡＭＰ１９ａのプラス端子に入力される基準電位２０ａは、搬送波２２の基準電位としても使用される。すなわち、搬送波２２は基準電位２０ａをＤＣ電圧とし、数百ｋＨｚのＡＣ信号が重畳された信号となる。搬送波２２のＤＣ成分は差動検出時に互いに相殺されるため、原理的にはＯＰ−ＡＭＰ１９ａの基準電位２０ａと搬送波２２の基準電位間に差があったとしてもセンサ出力Ｖｏに影響を及ぼすことはない。
【００５２】
しかし、パッド１５ａに接続された固定電極１４とパッド１５ｄに接続された固定電極１４に、製造時の加工誤差によって容量のばらつきが発生した場合には、基準電位２０ａの差によって慣性質量体１１が変位するため、オフセットが発生することとなる。
【００５３】
仮に加工上の誤差がない場合でも、慣性質量体１１には慣性質量体１１に印加される基準電圧とＯＰ−ＡＭＰ１９ａのプラス端子に印加される電位２０ａとの差によって変位方向に互いに打ち消す静電力が発生する。そのため静電ばね効果が発生し、設計値より低い固有角振動数となる。固有角振動数が低くなると、単位加速度印加に対する変位ｘが大きくなるため、設計値以上の感度となる。慣性質量体１１と支持梁構造体１２によって構成される振動系の固有角振動数ωと、加速度が印加された時の変位量ｘとの関係を下記（式２）に示す。
【００５４】
【数２】
0005425824.tif 000003
ただし、
ｘ：加速度ａが印加された時の変位量
ω：（ｋ／ｍ）１／２
ｍ：慣性質量体１１の質量
ｋ：支持梁構造体のばね定数
【００５５】
したがって、搬送波２２の基準電位２０ｂは、ＣＶ変換回路１９の基準電位２０ａと同電位とすることが望ましい。さらに、センサに入力される電源電位をＶｒｅｆとした場合、基準電位２０ａおよび２０ｂは、Ｖｒｅｆ／２、すなわち電源電位の半分にすることが望ましい。
【００５６】
上記（式１）から分かるように、ＣＶ変換回路１９の基準電位Ｖｂ（２０ａ）をＶｒｅｆ／２にすることにより、ΔＣに比例してプラスとマイナスのセンサ出力を得ることができる。本実施形態１ではアナログ的な電圧を出力する回路の例を示しているが、アナログデジタル変換（ＡＤ変換）をしてデジタル信号を出力する場合でも、同様の効果を発揮することができる。
【００５７】
さらに、上記（式１）からは、搬送波２２のＡＣ振幅Ｖｃを大きくすればするほど単位ΔＣ当たりの出力Ｖｏが大きくなることが分かる。したがって、センサの電源としてＶｒｅｆが印加される場合、Ｖｒｅｆ／２を搬送波の基準電位２０ａとすることにより、最大の搬送波振幅を得ることができる。すなわち、大きい搬送波振幅を確保することにより、相対的に小さいΔＣにおいても同程度の出力を得ることができ、結果的にはセンサエレメントＳ１ＥＧの小型化に寄与することができる。
【００５８】
以上、加速度検知部Ｓ１ＥＧの動作原理について説明した。次に、加速度検知部Ｓ１ＥＧにおけるダミーパターン１６の電位とその影響について説明する。
【００５９】
活性層１ｃには、慣性質量体１１、支持梁構造体１２、可動電極１３、固定電極１４、懸架部１５の周辺を囲むように、ダミーパターン１６が形成されている。このダミーパターン１６の主目的は、活性層１ｃをＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）する際の加工時間短縮と、アスペクト比をなるべく均一に管理し、マイクロローディング効果を抑制することにある。これにより、オーバエッチングに起因して底面が過度に削られるノッチや、ブラックシリコンによる導電性ゴミを抑制することを図っている。
【００６０】
しかし、慣性質量体１１などの可動部と、その周囲に所定間隔をもって配置されるダミーパターン１６との間に電位差があると、前述した静電ばね効果の発生と加工誤差による静電引力のアンバランスに起因するオフセット変動が発生する。さらに、ダミーパターン１６が電気的に他の部位から独立して電位が不定になっているので、外部からの電磁波や摩擦などによって電荷が流入してチャージアップが発生し、センサ出力のオフセットや感度の経時的な変動も発生する。
【００６１】
そのため、ダミーパターン１６を一定電位に固定する必要がある。一方、前述した静電ばね効果、静電力によるスティック、オフセット及び感度変動を防ぐためには、慣性質量体１１に印加される基準電位２０ａと同電位をダミーパターン１６に印加することがもっとも望ましい。ダミーパターン１６と、これに隣接する慣性質量体１１等との間の間隔を多少広くし、基準電位２０ａに近い電位を印加してもある程度の効果を得ることはできるが、ＩＣ５０が複数の電位を供給する必要があるため、ＩＣ５０が大型になり、好ましくない。
【００６２】
そこで本実施形態１では、貫通電極１７を介して支持層１ａに形成されるパッド１５ｃとＩＣ５０を導電性ワイヤ１５２で連結することにより、ダミーパターン１６に電位を付与することとした。
【００６３】
以上、加速度検知部Ｓ１ＥＧにおけるダミーパターン１６の電位とその影響について説明した。次に、角速度検知部Ｓ１ＥＹの動作原理について説明する。
【００６４】
図６は、角速度検知部Ｓ１ＥＹと周辺回路の接続関係を示す図である。角速度検知部Ｓ１ＥＹは、図２で説明した構成の他、駆動電極２７、モニタ電極２８、検出電極２９、懸架部１５を備える。駆動電極２７は、慣性質量体２３を駆動方向に加振する。モニタ電極２８は、慣性質量体２３の駆動方向への変位をモニタする。検出電極２９は、外部から角速度が印加されたことによって慣性質量体２３が検出方向へ変位したときの変位量を検出する。
【００６５】
駆動回路３２が生成した駆動信号は、駆動電極２７に印加される。駆動電極２７は、慣性質量体２３が備える可動電極とそれに対向するよう一定の間隔を持って設置された固定電極として構成されている。駆動電極２７は、駆動回路３２からの駆動信号によって発生する静電力によって慣性質量体２３を駆動方向に加振する。このとき駆動電極２７に働く有効電位差は、駆動信号と慣性質量体２３の基準電位の電位差となる。慣性質量体２３の基準電位は、後述する搬送波（印加回路）２２ａのＤＣ電圧２０ｃとなる。
【００６６】
搬送波２２ａは、同じ活性層１ｃ内に形成されている加速度検知部Ｓ１ＥＧとの間で信号が混信することを防ぐため、慣性質量体１１の変位を測定するための搬送波２２とは異なる数百ｋＨｚ帯域の搬送波周波数を用いている。
【００６７】
搬送波２２ａに印加されるＤＣバイアス電圧（基準電位）２０ｃは、慣性質量体２３のＤＣ的な基準電位となる。一方、後述する検出電極２７と慣性質量体２３との間の電位差によって静電ばね効果を発生させ、検出方向の固有角振動数を調整することができる。したがって、周波数調整範囲を広く確保するためには、電位２０ｃはなるべく低くすることが望ましい。本実施形態１では約１Ｖに設定している。
【００６８】
角速度Ωを印加することによって検出方向に発生するコリオリ力Ｆｃは（式３）の定義となり、コリオリ力Ｆｃによって発生する検出方向の変位ｙは（式４）の関係となる。したがって、角速度センサの感度Ｓを検出方向の変位ｙと入力角速度Ωの比として定義し、（式３）を（式４）に代入して整理すると、角速度センサの感度Ｓ（式５）が得られる。
【００６９】
【数３】
0005425824.tif 000004
ただし、
ｍ：慣性質量体２３の質量
Ω：印加された角速度
ｖ：慣性質量体２３の駆動方向への速度
【００７０】
【数４】
0005425824.tif 000005
ただし、
ｋｙ：支持梁構造体２４の検出方向におけるばね定数
ωｄ：駆動回路３２から生成された駆動信号の角振動数
ωｙ：慣性質量体２３と支持梁構造体２４によって構成される検出振動系の
固有角振動数
Ｑｙ：検出振動系の機械品質係数
【００７１】
【数５】
0005425824.tif 000006
【００７２】
上記（式５）から、検出振動系の固有角振動数ωｙを駆動角振動数ωｄに合わせることにより、最大の感度Ｓが得られることが分かる。最大の感度Ｓは、単位印加角速度当たりの検出振幅ｙが最大となることを意味するため、ＣＶ変換回路１９と制御ＩＣ５０への入力も最大であることを意味する。すなわち、センサＳ１から見れば信号となる変位ｙが大きくなるため、ＳＮ比が向上したことになる。
【００７３】
しかし、慣性質量体２３と支持梁構造体２４を加工する際の加工誤差によって、検出振動系の固有角振動数ωｙは必ずしも設計値通りにはならず、むしろばらつきを持つことが一般的である。そのため、公知の技術として、慣性質量体２３とこれを検出方向に挟むように一定間隔を持って配置された固定電極間にＤＣ電圧を印加し、静電ばね効果を発生させることにより、検出振動系の固有角振動数を調整する手法がある。これにより、センサの感度Ｓを向上させることができる。
【００７４】
本実施形態１では、静電ばね効果を発生させるための固定電極を別途設置せず、検出電極２９の固定電極を用いて静電ばね効果を発生させている。電圧調整回路３１より、検出電極２９の固定電極に固有角振動数調整用ＤＣ電圧Ｖｔを印加する。慣性質量体２３と検出電極２９の固定電極との間には、電位差Ｖｔ−Ｖｂ（電位２０ｃ）が印加されることになる。
【００７５】
静電ばね効果による固有振動数ｆｙの調整幅Δｆｙは、下記（式６）に示すように電位差Ｖｔ−Ｖｂの関数となる、より広い範囲で固有振動数のばらつきを吸収し、製造歩留まりを向上させるためには、なるべく大きい電位差（Ｖｔ−Ｖｂ）を印加する必要がある。電圧調整回路３１が供給することができる上限電位は電源電圧Ｖｒｅｆであるため、大きな電位差を印加するためには、搬送波２２ａの基準電位２０ｃをなるべく低くする必要がある。
【００７６】
【数６】
0005425824.tif 000007
ただし、
Δｆｙ：固有振動数調整範囲
Δｋ：支持梁構造体２４の検出方向におけるばね定数の調整分
ΔＶ＝Ｖｔ−Ｖｂ
ｕ：慣性質量体２３と検出電極２６との間のギャップ
【００７７】
搬送波２２ａの基準電位２０ｃとＡＣ振幅は、検出電極２９の規模、その他複雑な設計ファクターとの相関関係を持つため、一律には決まらない。そのため、加速度検知部Ｓ１ＥＧにおいて基準電位２０ａ＝Ｖｒｅｆ／２が最適であるのとは異なり、角速度検知部Ｓ１ＥＹにおいては設計毎に異なる基準電位２０ｃを設定する必要がある。この基準電位２０ｃは搬送波２２ａのＡＣ振幅によって制限される。本実施形態１では上述したように基準電位２０ｃを約１Ｖに設定し、搬送波のＡＣ振幅を１Ｖｐｐにしている。
【００７８】
以上、角速度検知部Ｓ１ＥＹの動作原理について説明した。次に、角速度検知部Ｓ１ＥＹにおけるダミーパターン１６ａの電位とその影響について説明する。
【００７９】
加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６の電位２０ａを設定するメカニズムと同様に、角速度検知部Ｓ１ＥＹのダミーパターン１６ａにも基準電位２０ｃと同電位を印加することが好ましい。この際、加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６に印加される電位２０ａと、角速度検知部Ｓ１ＥＹのダミーパターン１６ａに印加される電位２０ｃは、かならずしも同じ値ではない。
【００８０】
本実施形態１に係る複合センサＳ１のセンサエレメントＳ１Ｅでは、図２に示すように１つの活性層１ｃ内に加速度検知部Ｓ１ＥＧと角速度検知部Ｓ１ＥＹが複合的に配置されている。そのため、ダミーパターン１６と１６ａに互いに異なる電位を印加するためにはこれらダミーパターンを電気的に分離する必要がある。
【００８１】
単純に加速度検知部Ｓ１ＥＧと角速度検知部Ｓ１ＥＹの間の活性層１ｃを縦方向に分離することも可能であるが、複数のセンサエレメントＳ１Ｅが１枚のＳＯＩ基板１上に形成されることになるので、ダイシングによって各複合センサＳ１を分離するとき、ダイシング時の水やゴミがその溝に入り、電気的リークが発生する恐れがあるので好ましくない。
【００８２】
そのため本実施形態１では、加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６を、角速度検知部Ｓ１ＥＹを囲むような形状に伸ばし、ギャップ３０を形成することでダミーパターン１６と１６ａを電気的に分離している。ダミーパターン１６上にはキャップ１００が気密封止されるため、ダイシング時の水やゴミの浸入を防ぐことができる。
【００８３】
図５〜図６で説明した、容量電圧（ＣＶ）変換回路１９、基準電位２０ａ〜２０ｄを付与する回路、復調回路２１、搬送波印加回路２２および２２ａ、電圧調整回路３１、駆動回路３２は、ＩＣ５０内に形成することができる。
【００８４】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る複合センサＳ１では、慣性量を検出する複数の可動部を同一層内に形成し、各可動部の周辺に配置されたダミーパターンを電気的に分離している。これにより、各可動部と周辺ダミーパターンにはそれぞれ同電位を印加することができるので、周辺ダミーパターンと可動部の間の電位差に起因するＳ／Ｎ比の低下、オフセット、感度変動の発生を抑制することができる。
【００８５】
また、本実施形態１に係る複合センサＳ１は、基準電位２０ａと２０ｃを調整することにより、製造時の加工誤差に起因する固有角振動数ばらつきの調整範囲を広くすることができる。これにより、高歩留まりと製造コスト低減を実現することができる。
【００８６】
＜実施の形態２＞
実施形態１で説明した複合センサＳ１において、加速度検知部Ｓ１ＥＧと角速度検知部Ｓ１ＥＹは、ＳＯＩ基板１の活性層１ｃ内に形成され、中間絶縁層１ｂを介して支持層１ａに固定・懸架される。そのため、慣性質量体１１および２３と支持層１ａの間は、電気的には分離され、機械的には中間絶縁層１ｂの厚さ分だけ離れた状態で対向する配置となる。すなわち、ダミーパターン１６および１６ａと同様に、支持層１ａにおいても電位を固定する必要がある。
【００８７】
そこで、加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６と角速度検知部Ｓ１ＥＹのダミーパターン１６ａを電気的に分離し、それぞれに異なる電位を付与したのと同様に、支持層１ａも加速度検知部Ｓ１ＥＧの下に位置する部分と角速度検知部Ｓ１ＥＹの下に位置する部分に電気的に分離してもよい。加速度検知部Ｓ１ＥＧの下に位置する支持層１ａにはダミーパターン１６の電位を、角速度検知部Ｓ１ＥＹの下に位置する支持層１ａにはダミーパターン１６ａの電位を付与する。
【００８８】
アルミニウムなどの導電性材料によって形成されるパッド４７とＩＣ５０を導電性ワイヤ１５２で連結することにより、支持層１ａに電位を付与することができる。
【００８９】
＜実施の形態３＞
実施の形態２のように、数百μｍ厚さの支持層１ａを２つに分離することは、強度的な観点と加工の煩雑さの観点で好ましくない場合も考えられる。そこで本発明の実施形態３では、実施形態２のように支持層１ａを２つに分離せず、加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６の電位と同電位になるよう設定する。以下、その理由について説明する。
【００９０】
加速度検知部Ｓ１ＥＧを構成する検出振動系は、上記（式２）で示すようになるべく固有角振動数ωを低くすることにより高い感度Ｓを得ることができる。特に、自動車の走行制御や、ロボットの姿勢検出などのように、傾斜や重力などＤＣを含めた低周波の挙動を主に測定するような用途の加速度センサにおいては、固有角振動数ωを低くして感度Ｓを大きくし、過ダンピング設計にすることにより、機械的カットオフ周波数を低くして高周波の振動外乱に反応しないようにすることが望ましい。
【００９１】
一方、角速度検知部Ｓ１ＥＹは、上記（式５）に示すように、高感度を得るため、駆動角振動数ωｄを検出振動系の固有角振動数ωｙに合わせている。しかし自然界では、１／ｆノイズ、１／ｆ＾２ノイズなど低周波数の振動外乱が多い。そのため、耐振動特性の優れた角速度センサを得るには、検出振動系の固有振動数ωｙをできるだけ高くする必要がある。
【００９２】
以上の検討結果から、複合センサＳ１を高感度化するとともに高信頼化するためには、加速度検知部Ｓ１ＥＧの検出振動系の固有角振動数は低く、角速度検知部Ｓ１ＥＹの固有角振動数は高くすることが好ましいことが分かる。
【００９３】
上記（式６）の関係から、慣性質量体１１および２３と周辺のダミーパターン１６および１６ａと、支持層１ａとの間に電位差ΔＶが発生した場合、ばね定数（ｋｙ）が小さいほどΔｆは変動が大きくなる。そこで、相対的にばね定数が小さく、ΔＶの影響を受け易い加速度検知部Ｓ１ＥＧのダミーパターン１６の基準電位２０ａに合わせて、支持層１ａの電位を設定することとした。
【００９４】
加速度検知部Ｓ１ＥＧの慣性質量体１１と角速度検知部Ｓ１ＥＹの慣性質量体２３は、それぞれ約３０〜１００μｇであり、その重さの比は最大１：５程度である。一方、これらの固有角振動数は、それぞれ約６０００ｒａｄ／ｓと６００００ｒａｄ／ｓであり、その比は約１：１０程度に設計している。したがって、角速度検知部Ｓ１ＥＹの検出振動系のばね定数は、加速度検知部Ｓ１ＥＧの検出振動系のばね定数の約２０倍以上となる。  すなわち、角速度検知部Ｓ１ＥＹにおいて、周辺ダミーパターン１６ａ、支持層１ａ、キャップ１００との間で多少の電位差ΔＶがあったとしても、その影響は限定的となる。
【００９５】
以上説明した通り、慣性質量体１１および２３とその「周辺導体」であるダミーパターン１６および１６ａの間、さらにはこれらと支持層１ａ、キャップ１００との間ではＤＣ的な電位を一致させた方が好ましいが、いずれか一方に合わせなくてはならない場合は、「周辺導体」との間の静電力による移動量が大きい慣性質量体１１の基準電位２０ａに合わせればよい。なお、加速度センサと角速度センサとを比較すると、静電力による移動量が大きいのは一般的には加速度センサの慣性質量体である。
【００９６】
具体的には、慣性質量体１１および２３のＤＣ電位２０ａおよび２０ｃにダミーパターン１６および１６ａの電位を合わせるため、ダミーパターン１６と１６ａを分離し、ＩＣ５０にそれぞれの電位２０ａおよび２０ｃを出力するための電位生成回路と該当するパッドを設ければよい。
【００９７】
＜実施の形態３：まとめ＞
以上のように、本実施形態３に係る複合センサＳ１は、支持層１ａを分離せず、慣性質量体１１および２３のうち静電力による移動量が大きい方に対応する基準電位（２０ａまたは２０ｃ）を印加する。これにより、複合センサＳ１の強度や加工難度に関する問題を抑制しつつ、電位差によって生じる静電力の影響を最小限に抑えることができる。
【００９８】
＜実施の形態４＞
実施形態１〜３では、陽極接合技術を用いてナトリウムを含むガラスキャップ１００とＳＯＩ基板１を貼り合わせているが、表面活性化接合、ガラスフリット接合、金属接着剤を用いた接合技術などを用いて、シリコン基板など導電性材料の基板をＳＯＩ基板１に貼り合わせてもよい。この際、キャップ１００も慣性質量体１１、支持梁構造体１２、可動電極１３などと所定間隔をもって隣接することとなり、互いの電位差によるオフセット、感度変動、スティックなどが発生する可能性がある。
【００９９】
そこで本発明の実施形態４では、キャップ１００の電位もダミーパターン１６同様に慣性質量体１１の基準電位２０ａと同電位にすることにより、上述した不具合を防ぐこととする。基準電位２０ａに合わせる理由は、実施形態３で説明したものと同様である。
【０１００】
キャップ１００には、ダミーパターン１６とキャップ１００が接触する部分に導電性接着剤を塗布することによって、ダミーパターン１６と同じ電位を印加することができる。ダミーパターン１６とキャップ１００が接触する部分にガラスフリットのような非導電性の接着剤が使われている場合は、センサエレメントＳ１ＥとＩＣ５０の間を銀ペーストのような導電性接着剤で接合することにより、ＩＣ５０上に形成している図示しない電位印加用パッドから電位を付与することができる。
【０１０１】
ダミーパターン１６、キャップ１００、支持層１ａに一定の電位を与えることにより、外部からの電磁波を遮断するシールドとしての役割を発揮するため、センサＳ１の信頼度をさらに向上させることが期待できる。
【０１０２】
＜実施の形態４：まとめ＞
以上のように、本実施形態４に係る複合センサＳ１は、慣性質量体１１および２３のうち静電力による移動量が大きい方に対応する基準電位（２０ａまたは２０ｃ）をキャップ１００に印加する。これにより、電位差によって生じる静電力の影響を最小限に抑えることができる。
【０１０３】
また、本実施形態４に係る複合センサＳ１によれば、主要な構成部の電位を全て基準電位（２０ａまたは２０ｃ）に設定するので、電位生成回路と接続するワイヤの数を減らすことができ、回路サイズを縮小するとともに、ワイヤの断線による故障を低減することができる。
【０１０４】
＜実施の形態５＞
以上の実施形態１〜４において、キャップ１００および加速度検知部Ｓ１ＥＧの間の空間と、キャップ１００および角速度検知部Ｓ１ＥＹの間の空間とを隔離し、前者の空間は大気圧封止し、後者の空間は真空封止するようにしてもよい。また、キャップ１００を上記空間毎に設けた上で互いに電気的に分離し、それぞれの基準電位（２０ａまたは２０ｃ）を個別に印加するようにしてもよい。これにより、電位差によって生じる静電力の影響をさらに低減することができる。
【０１０５】
＜実施の形態６＞
複合センサＳ１に求められる精度や用途によっては、ダミーパターン１６と１６ａを必ずしも分離する必要はなく、互いに共通な電位を付与してもよい。この場合、ダミーパターン１６と１６ａに付与する電位は、慣性質量体１１および２３とダミーパターン１６および１６ａの間に電位差が発生したとき、静電力による移動量が大きい方の慣性質量体に印加する基準電位を用いればよい。
【０１０６】
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。例えば、自動車の走行制御装置やロボットの姿勢制御装置に使用される慣性量測定及び制御用センサとして、本発明に係る複合センサＳ１を用いることができる。特に、ＭＥＭＳ技術を用いて作成された、静電容量の変化を検出に用いる複数の慣性量や検出軸を持つ慣性センサとして用いることができる。
【符号の説明】
【０１０７】
Ｓ１  複合センサ
Ｓ１Ｅ  複合センサのエレメント
Ｓ１ＥＧ  加速度検知部
Ｓ１ＥＹ  角速度検知部
１  ＳＯＩ基板
１ａ  支持層
１ｂ  中間絶縁層
１ｃ  活性層
１１  加速度検知部の慣性質量体
１２  加速度検知部の支持梁構造体
１３  可動電極
１４  固定電極
１５  固定部（懸架部）
１６  加速度検知部のダミーパターン
１６ａ  角速度検知部のダミーパターン
１７  貫通電極
１７ａ、１７ｂ  ポリシリコン
１８  パッド
１９  容量電圧（ＣＶ）変換回路
１９ａ  ＯＰ−ＡＭＰ
２０ａ  基準電位
２０ｂ  基準電位
２０ｃ  基準電位
２０ｄ  基準電位
２１  復調回路
２２  搬送波印加回路
２２ａ  搬送波印加回路
２３  角速度検知部の慣性質量体
２４  角速度検知部の支持梁構造体
２５  酸化膜
２７  駆動電極
２８  モニタ電極
２９  検出電極
３０  ギャップ
３１  電圧調整回路
３２  駆動回路
４７  パッド
１００  キャップ
１５２  導電性ワイヤ
１５３  蓋
１５４  外部入出力端子
【図１】
0005425824.tif 000008
【図２】
0005425824.tif 000009
【図３】
0005425824.tif 000010
【図４】
0005425824.tif 000011
【図５】
0005425824.tif 000012
【図６】
0005425824.tif 000013