(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１物理量の印加を第１検出容量素子の静電容量の変化として捉える第１検知部と、
（ｂ）第２物理量の印加を第２検出容量素子の静電容量の変化として捉える第２検知部とを備え、
前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を変換した検出用信号と、前記第２検知部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を変換した参照用信号との差分に基づいて、前記第１物理量を検知することを特徴とする複合センサ。
【請求項２】
請求項１記載の複合センサであって、
前記第１検知部は、
（ａ１）半導体基板に固定された第１固定部と、
（ａ２）前記第１固定部と接続された第１弾性変形部と、
（ａ３）前記第１弾性変形部と接続された第１可動部と、
（ａ４）前記半導体基板に形成された第１検出電極とを有し
前記第１検出容量素子は、前記第１可動部と前記第１検出電極により形成され、
前記第２検知部は、
（ｂ１）前記半導体基板に固定された第２固定部と、
（ｂ２）前記第２固定部と接続された第２弾性変形部と、
（ｂ３）前記第２弾性変形部と接続された第２可動部と、
（ｂ４）前記半導体基板に形成された第２検出電極とを有し、
前記第２検出容量素子は、前記第２可動部と前記第２検出電極により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記載の複合センサであって、
前記第１検知部における検出振動系の固有振動数は、前記第２検知部における検出振動系の固有振動数よりも小さいことを特徴とする複合センサ。
【請求項４】
請求項１記載の複合センサであって、
前記複合センサは、さらに、前記第１物理量が印加されていない場合に、前記検出用信号と前記参照用信号の差分が０となるように調整するゲイン調整部を備えることを特徴とする複合センサ。
【請求項５】
請求項１記載の複合センサであって、
前記第１物理量は、加速度であり、
前記第２物理量は、角速度であることを特徴とする複合センサ。
【請求項６】
請求項１記載の複合センサであって、
前記第１検知部の前記第１検出容量素子は、半導体基板の主面に垂直な方向の変位に基づく静電容量変化を検出し、
前記第２検知部の前記第２検出容量素子は、半導体基板の主面に垂直な方向の変位に基づく静電容量変化を検出することを特徴とする複合センサ。
【請求項７】
請求項１記載の複合センサであって、
前記複合センサは、さらに、前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を第１電圧信号に変換し、
前記第２検出部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を第２電圧信号に変換する容量電圧変換部を備えることを特徴とする複合センサ。
【請求項８】
請求項７記載の複合センサであって、
前記第１検知部および前記第２検知部には搬送波が印加されており、
前記容量電圧変換部の信号通過帯域は、前記搬送波の周波数から前記第２検知部の固有振動数を引いた値よりも大きく、
前記搬送波の周波数と前記第２検知部の固有振動数を足した値よりも小さいことを特徴とする複合センサ。
【請求項９】
請求項１記載の複合センサであって、
前記第１物理量は、第１方向の加速度であり、
前記第２物理量は、前記第１方向とは異なる第２方向の加速度であることを特徴とする複合センサ。
【請求項１０】
請求項９記載の複合センサであって、
前記第１方向は、半導体基板の主面の面内方向であり、
前記第２方向は、半導体基板の主面に対して垂直な方向である面外方向であることを特徴とする複合センサ。
【請求項１１】
（ａ）第１物理量の印加を第１検出容量素子の静電容量の変化として捉える第１検知部と、
（ｂ）第２物理量の印加を第２検出容量素子の静電容量の変化として捉える第２検知部と、
（ｃ）差分をとる基準となる参照容量素子とを備え、
前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を変換した第１検出用信号と、前記参照容量素子の静電容量を変換した参照用信号との差分に基づいて、前記第１物理量を検知し、
前記第２検知部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を変換した第２検出用信号と、前記参照容量素子の静電容量を変換した前記参照用信号との差分に基づいて、前記第２物理量を検知することを特徴とする複合センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の複合センサであって、
前記第１検知部は、
（ａ１）半導体基板に固定された第１固定部と、
（ａ２）前記第１固定部と接続された第１弾性変形部と、
（ａ３）前記第１弾性変形部と接続された第１可動部と、
（ａ４）前記半導体基板に形成された第１検出電極とを有し、
前記第１検出容量素子は、前記第１可動部と前記第１検出電極により形成され、
前記第２検知部は、
（ｂ１）前記半導体基板に固定された第２固定部と、
（ｂ２）前記第２固定部と接続された第２弾性変形部と、
（ｂ３）前記第２弾性変形部と接続された第２可動部と、
（ｂ４）前記半導体基板に形成された第２検出電極とを有し、
前記第２検出容量素子は、前記第２可動部と前記第２検出電極により形成されていることを特徴とする複合センサ。
【請求項１３】
請求項１１記載の複合センサであって、
前記複合センサは、さらに、前記第１物理量が印加されていない場合に、前記第１検出用信号と前記参照用信号との差分が０となるように調整する第１ゲイン調整部と、
前記第２物理量が印加されていない場合に、前記第２検出用信号と前記参照用信号との差分が０となるように調整する第２ゲイン調整部とを備えることを特徴とする複合センサ。
【請求項１４】
請求項１１記載の複合センサであって、
前記第１物理量は、加速度であり、
前記第２物理量は、角速度であ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、複合センサに関し、特に、半導体微細加工技術により形成され、加速度、角速度（回転）や圧力などに関連する物理量を静電容量の変化として検出する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）で構成される複合センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の物理量として加速度や角速度を検知できる検知部が一つの基板上に複合して形成された静電容量型複合センサが提案されている。例えば、特開平１０―２３９３４７号公報（特許文献１）や特開２００２―００５９５０号（特許文献２）には、上述した複合センサの一例がそれぞれ示されている。これら特許文献１や特許文献２に示されている複合センサは、可動部が形成されているデバイス層の面内での動きを検出するものであり、同一面内に、可動部の動きによって容量が増える検知容量と容量が減る検知容量が形成されている。この２つの容量を容量電圧変換部（ＣＶ変換部）へ差動入力することで検出すべき信号の出力を得ている。角速度センサと加速度センサが同一基板上に設けられているために、安価に作成することができ、また、小型化が容易であるという利点がある。
【０００３】
特表平８―５０１１５６号公報（特許文献３）や特開２００１―２３５３８１号（特許文献４）には、圧力センサの一例がそれぞれ示されている。これら特許文献３や特許文献４に示されている圧力センサは、圧力の印加によって容量が変化する感圧容量素子と、検出すべき圧力に対して静電容量の不変な参照容量を有する参照容量素子が１つの基板上に形成され、これらの２つの容量の比に対応した信号を出力することで圧力を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２３９３４７号公報
【特許文献２】特開２００２−００５９５０号公報
【特許文献３】特表平８−５０１１５６号公報
【特許文献４】特開２００１−２３５３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や特許文献２に記載された加速度と角速度を検知できる複合センサは、半導体基板の主面内の変位は差動容量を形成することで感度良く検出することができる。しかしながら、デバイス層（半導体基板の主面）に対して垂直な方向に動く面外方向の変位に対しては、特許文献３と特許文献４の圧力センサと同様に、比較対象となる固定参照容量素子が必要となる。なぜなら、面外方向において加速度が印加された場合、可動部の動きによって容量が増える検知容量と容量が減る検知容量の両方を形成することが困難であるからである。したがって、面外方向の加速度や角速度を計測できる複合センサを形成した場合、可動部などが形成されるセンサエレメントは、別途、参照容量素子用のセンサエレメントを形成する必要があり、単に２つのセンサエレメントを横に並べた大きさとさほど変わらなくなる。このことから、センサの複合化によるセンサエレメントの小型化や半導体ウェハ一枚当たりの取得チップ数の増加による製造コストの低減効果は限定的なものとなる問題が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、複数の物理量を検出できる複合センサにおいて、それぞれのセンサ間で共有できる要素を増やすことにより、性能を維持しながらも小型化や低コスト化を実現することができる複合センサを提供することにある。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
代表的な実施の形態における複合センサは、（ａ）第１物理量の印加を第１検出容量素子の静電容量の変化として捉える第１検知部と、（ｂ）第２物理量の印加を第２検出容量素子の静電容量の変化として捉える第２検知部とを備える。ここで、前記複合センサは、前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を変換した検出用信号と、前記第２検知部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を変換した参照用信号との差分に基づいて、前記第１物理量を検知することを特徴とするものである。
【００１０】
また、代表的な実施の形態における複合センサは、（ａ）第１物理量の印加を第１検出容量素子の静電容量の変化として捉える第１検知部と、（ｂ）第２物理量の印加を第２検出容量素子の静電容量の変化として捉える第２検知部と、（ｃ）差分をとる基準となる参照容量素子とを備える。ここで、前記複合センサは、前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を変換した第１検出用信号と、前記参照容量素子の静電容量を変換した参照用信号との差分に基づいて、前記第１物理量を検知し、前記第２検知部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を変換した第２検出用信号と、前記参照容量素子の静電容量を変換した前記参照用信号との差分に基づいて、前記第２物理量を検知することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
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とおりである。
【００１２】
複数の物理量を検出できる複合センサにおいて、それぞれのセンサ間で共有できる要素を増やすことにより、性能を維持しながらも小型化や低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における複合センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図３】角速度検知部を使用して角速度を検出するための回路構成を示すブロック図である。
【図４】平行平板型構造の容量素子を示す模式図である。
【図５】櫛歯型構造の容量素子を示す模式図である。
【図６】ＸＹ方向加速度検知部を使用して加速度を検出するための回路構成を示すブロック図である。
【図７】Ｚ方向の加速度を検出する一般的な回路構成を示す回路ブロック図である。
【図８】実施の形態１におけるＺ方向の加速度を検出する回路構成を示す回路ブロック図である。
【図９】角速度検知部の検出振動系における周波数特性と、Ｚ方向加速度検知部の周波数特性を示すグラフである。
【図１０】ＣＶ変換部から同期検波部までの帯域幅フィルタ特性を示す図である。
【図１１】実施の形態１における複合センサの製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１１に続く複合センサの製造工程を示す断面図である。
【図１３】図１２に続く複合センサの製造工程を示す断面図である。
【図１４】図１３に続く複合センサの製造工程を示す断面図である。
【図１５】図１４に続く複合センサの製造工程を示す断面図である。
【図１６】実施の形態１における複合センサの実装構成を示す断面図である。
【図１７】実施の形態２における複合センサの構成を示す平面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１９】実施の形態２における複合センサの回路構成を示す回路ブロックである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、それらはお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、補足説明等の関係にある。
【００１５】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）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等を除き、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よい。
【００１６】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）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等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１７】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１８】
また、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同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
＜本実施の形態１における複合センサの構成＞
本実施の形態１における複合センサＣＳ１の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１における複合センサＣＳ１の構成を示す平面図である。図１において、本実施の形態１における複合センサＣＳ１は、半導体基板１Ｓ上に形成された枠体ＦＲを有し、この枠体ＦＲで区画されたそれぞれの領域内に、Ｙ軸周りの角速度を検知する角速度検知部ＪＡと、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度を検知する加速度検知部ＡＣが形成されている。そして、加速度検知部ＡＣは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の加速度を検知するＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）と、Ｚ軸方向の加速度を検知するＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）から構成されている。
【００２０】
まず、角速度検知部ＪＡの構成について説明する。図１に示すように、角速度検知部ＪＡは、半導体基板１Ｓ上に形成された２つの可動（振動）できる錘（可動部）Ｍ１と錘（可動部）Ｍ２を有し、さらに、リンク梁ＬＢを有している。このリンク梁ＬＢは、２つの錘Ｍ１および錘Ｍ２を連結している。これにより、リンク梁ＬＢが錘Ｍ１と錘Ｍ２の振動エネルギーの伝達経路を形成することで音叉構造（逆相振動構造）が形成されている。そして、角速度検知部ＪＡは、錘Ｍ１および錘Ｍ２と、リンク梁ＬＢとを半導体基板１Ｓに対して一定間隔を持って浮いた状態で支持する支持梁ＳＢ１を有し、この支持梁ＳＢ１は、駆動方向（Ｘ方向）と検出方向（Ｚ方向）の両方向に変形（弾性変形）できるように構成されている。すなわち、支持梁ＳＢ１の一端は、錘Ｍ１や錘Ｍ２に接続され、支持梁ＳＢ１の他端は、半導体基板１Ｓに固定されている固定部ＦＸ１と接続されている。
【００２１】
さらに、角速度検知部ＪＡは、錘Ｍ１との間で容量を形成する駆動電極ＤＲＥ１と駆動電極ＤＲＥ２を有している。つまり、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ１により駆動容量素子が形成され、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ２により駆動容量素子が形成されている。同様に、錘Ｍ２と駆動電極ＤＲＥ１により駆動容量素子が形成され、錘Ｍ２と駆動電極ＤＲＥ２により駆動容量素子が形成されている。例えば、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ１から構成される駆動容量素子には高周波信号（高周波電圧）が印加されるように構成されており、この高周波信号（高周波電圧）が印加された駆動容量素子には静電引力が発生し、この静電引力によって錘Ｍ１を振動させることができるようになっている。同様に、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ１から構成される駆動容量素子、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ２から構成される駆動容量素子、あるいは、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ２から構成される駆動容量素子についても同様に構成されている。これにより、錘Ｍ１および錘Ｍ２は音叉振動するようになっている。
【００２２】
また、角速度検知部ＪＡには、音叉振動している錘Ｍ１および錘Ｍ２の駆動振幅を監視（モニタリング）するためのモニタ電極ＭＥ１およびモニタ電極ＭＥ２を有し、さらに、Ｙ軸方向回りの角速度が印加された場合に、検出方向（Ｚ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ１および検出電極ＤＴＥ２を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ１とこの錘Ｍ１の下層に形成される検出電極ＤＴＥ１によって検出容量素子が形成されており、検出方向への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。同様に、錘Ｍ２とこの錘Ｍ２の下層に形成される検出電極ＤＴＥ２によって検出容量素子が形成されており、検出方向への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。このように構成されている角速度検知部ＪＡでは、錘Ｍ１、錘Ｍ２、リンク梁ＬＢおよび支持梁ＳＢ１によって駆動振動系が形成され、錘１と支持梁ＳＢ１、あるいは、錘Ｍ２と支持梁ＳＢ１によって検出振動系が形成される。
【００２３】
続いて、加速度検知部ＡＣの構成について説明する。加速度検知部ＡＣには、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の加速度を検知するＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）と、Ｚ軸方向の加速度を検知するＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）があるが、まず、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）の構成について説明する。図１に示すように、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）は、半導体基板１Ｓ上に形成された１つの可動できる錘Ｍ３を有している。そして、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）は、錘Ｍ３を半導体基板１Ｓに対して一定間隔を持って浮いた状態で支持する支持梁ＳＢ２を有し、この支持梁ＳＢ２は、検出方向（Ｘ方向）および検出方向（Ｙ方向）の両方向に変形（弾性変形）できるように構成されている。すなわち、支持梁ＳＢ２の一端は、錘Ｍ３に接続され、支持梁ＳＢ２の他端は、半導体基板１Ｓに固定されている固定部ＦＸ２と接続されている。
【００２４】
さらに、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）は、Ｘ方向に加速度が印加された場合に、検出方向（Ｘ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ３を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ３と検出電極ＤＴＥ３によって検出容量素子が形成されており、検出方向（Ｘ軸方向）への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。同様に、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）は、Ｙ方向に加速度が印加された場合に、検出方向（Ｙ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ４を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ３と検出電極ＤＴＥ４によって検出容量素子が形成されており、検出方向（Ｙ軸方向）への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。
【００２５】
次に、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の構成について説明する。図１に示すように、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、半導体基板１Ｓ上に形成された１つの可動できる錘Ｍ４を有している。そして、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、錘Ｍ４を半導体基板１Ｓに対して一定間隔を持って浮いた状態で支持する支持梁ＳＢ３を有し、この支持梁ＳＢ３は、検出方向（Ｚ方向）に変形（弾性変形）できるように構成されている。すなわち、支持梁ＳＢ３の一端は、錘Ｍ４に接続され、支持梁ＳＢ３の他端は、半導体基板１Ｓに固定されている固定部ＦＸ３と接続されている。
【００２６】
さらに、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、Ｚ方向に加速度が印加された場合に、検出方向（Ｚ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ５を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ４と、錘Ｍ４の下層に形成されている検出電極ＤＴＥ５によって検出容量素子が形成されており、検出方向（Ｘ軸方向）への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。
【００２７】
なお、角速度検知部ＪＡを構成する錘Ｍ１、Ｍ２、リンク梁ＬＢ、支持梁ＳＢ１、固定部ＦＸ１は、例えば、ポリシリコン膜などの導電性部材から構成されており、固定部ＦＸ１は、例えば、パッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、外部接続端子であるパッドＰＤ１を介して、固定部ＦＸ１から支持梁ＳＢ１を介して錘Ｍ１へ電気信号を印加することができるように構成されている。同様に、角速度検知部ＪＡを構成する駆動電極ＤＲＥ１、駆動電極ＤＲＥ２、モニタ電極ＭＥ１、モニタ電極ＭＥ２、検出電極ＤＴＥ１および検出電極ＤＴＥ２なども導電性部材から構成されており、外部接続端子であるパッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、これらの構成要素にも電気信号を印加することができるように構成されている。
【００２８】
また、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）を構成する錘Ｍ３、支持梁ＳＢ２、固定部ＦＸ２は、例えば、ポリシリコン膜などの導電性部材から構成されており、固定部ＦＸ２は、例えば、パッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、外部接続端子であるパッドＰＤ１を介して、固定部ＦＸ２から支持梁ＳＢ２を介して錘Ｍ３へ電気信号を印加することができるように構成されている。同様に、ＸＹ方向加速度検知部ＡＣ（ＸＹ）を構成する検出電極ＤＴＥ３および検出電極ＤＴＥ４なども導電性部材から構成されており、外部接続端子であるパッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、これらの構成要素にも電気信号を印加することができるように構成されている。
【００２９】
同様に、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）を構成する錘Ｍ４、支持梁ＳＢ３、固定部ＦＸ３は、例えば、ポリシリコン膜などの導電性部材から構成されており、固定部ＦＸ３は、例えば、パッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、外部接続端子であるパッドＰＤ１を介して、固定部ＦＸ３から支持梁ＳＢ３を介して錘Ｍ４へ電気信号を印加することができるように構成されている。さらに、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）を構成する検出電極ＤＴＥ５なども導電性部材から構成されており、外部接続端子であるパッドＰＤ１と電気的に接続されている。したがって、これらの構成要素にも電気信号を印加することができるように構成されている。
【００３０】
本実施の形態１における複合センサＣＳ１の平面構造は上記のように概略構成されており、次に、本実施の形態１における複合センサＣＳ１の断面構造について説明する。図２は、本実施の形態１における複合センサＣＳ１の一断面構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図２に示すように、本実施の形態１における複合センサＣＳ１は、例えば、シリコンからなる半導体基板１Ｓを有しており、この半導体基板１Ｓ上に、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ１が形成されている。この絶縁膜ＯＸ１上には、例えば、ポリシリコン膜などの導体膜をパターニングして形成された検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５が形成されている。そして、これらの検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５の間に形成される隙間を埋め込むように、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ２が形成されている。そして、検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５の表面と絶縁膜ＯＸ２の表面は揃っており、この揃っている表面上に、例えば、窒化シリコン膜からなる絶縁膜ＳＮ１が形成されている。
【００３１】
続いて、絶縁膜ＳＮ１上には、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ３を介して枠体ＦＲが形成されている。この枠体ＦＲは、例えば、ポリシリコン膜などの導体膜から形成されており、図１で示した角速度検知部ＪＡの形成領域や加速度検知部ＡＣの形成領域を区画するために設けられている。そして、枠体ＦＲで区画された１つの領域には、空洞部ＣＡＶ１が形成されており、この空洞部ＣＡＶ１内に角速度検知部ＪＡの構成要素である錘Ｍ１が形成されている。一方、枠体ＦＲで区画されたもう１つの領域には、空洞部ＣＡＶ２が形成されており、この空洞部ＣＡＶ２内にＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の構成要素である錘Ｍ４および支持梁ＳＢ３が形成されている。枠体ＦＲで区画された２つの領域は、カバーＣＯＶで密閉されている。そして、枠体ＦＲの左外側には、例えば、検出電極ＤＴＥ１と接続するプラグＰＬＧ１が絶縁膜ＳＮ１および絶縁膜ＯＸ３を貫通するように形成されており、このプラグＰＬＧ１上に、例えば、ポリシリコン膜からなる台座部ＰＥＤ１が形成されている。この台座部ＰＥＤ１上には、パッドＰＤ１が形成されている。したがって、検出電極ＤＴＥ１は、プラグＰＬＧ１および台座部ＰＥＤ１を介してパッドＰＤ１と電気的に接続されていることがわかる。同様に、枠体ＦＲの右外側には、例えば、検出電極ＤＴＥ５と接続するプラグＰＬＧ２が絶縁膜ＳＮ１および絶縁膜ＯＸ３を貫通するように形成されており、このプラグＰＬＧ２上に、例えば、ポリシリコン膜からなる台座部ＰＥＤ２が形成されている。この台座部ＰＥＤ２上には、パッドＰＤ１が形成されている。したがって、検出電極ＤＴＥ５は、プラグＰＬＧ２および台座部ＰＥＤ２を介してパッドＰＤ１と電気的に接続されていることがわかる。
【００３２】
＜角速度を検出する回路構成＞
次に、角速度検知部を使用して角速度を検出する回路構成について、図面を参照しながら説明する。図３は、角速度検知部を使用して角速度を検出するための回路構成を示すブロック図である。図３に示すように、錘Ｍ１および錘Ｍ２の外側には、駆動電極ＤＲＥ１が配置され、錘Ｍ１および錘Ｍ２の内側には、駆動電極ＤＲＥ２が配置されている。そして、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ１、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ２、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ１、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ２によって、それぞれ、駆動容量素子が形成されていることになる。このとき、駆動電極ＤＲＥ１には、駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加されるようになっており、駆動電極ＤＲＥ２には、駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄが印加されるようになっている。また、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、ＶｃｏｍとＶｃａが印加される。ここで、Ｖｃｏｍはコモン電圧を示し、Ｖｂはバイアス電圧を示している。これらのコモン電圧（Ｖｃｏｍ）およびバイアス電圧（Ｖｂ）は直流電圧となっている。一方、＋Ｖｄや−Ｖｄは駆動電圧を示しており、Ｖｃａはキャリア電圧を示している。これらの駆動電圧やキャリア電圧は交流電圧となっている。
【００３３】
さらに、錘Ｍ１および錘Ｍ２の外側には、モニタ電極ＭＥ１が配置され、錘Ｍ１および錘Ｍ２の内側には、モニタ電極ＭＥ２が配置されている。このモニタ電極ＭＥ１と錘Ｍ１、モニタ電極ＭＥ１と錘Ｍ２、モニタ電極ＭＥ２と錘Ｍ１、モニタ電極ＭＥ２と錘Ｍ２によって、それぞれ、モニタ容量素子が形成されていることになる。そして、錘Ｍ１に接続されているモニタ電極ＭＥ１と、錘Ｍ２に接続されているモニタ電極ＭＥ１は互いに接続され、ＣＶ変換部ＣＶＵ１と接続されている。同様に、錘Ｍ１に接続されているモニタ電極ＭＥ２と、錘Ｍ２に接続されているモニタ電極ＭＥ２は互いに接続され、ＣＶ変換部ＣＶＵ１と接続されている。
【００３４】
ＣＶ変換部ＣＶＵ１は、モニタ電極ＭＥ１と接続されており、モニタ電極ＭＥ１と錘Ｍ１からなるモニタ容量素子と、モニタ電極ＭＥ１と錘Ｍ２からなるモニタ容量素子の静電容量を第１モニタ用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。同様に、ＣＶ変換部ＣＶＵ１は、モニタ電極ＭＥ２と接続されており、モニタ電極ＭＥ２と錘Ｍ１からなるモニタ容量素子と、モニタ電極ＭＥ２と錘Ｍ２からなるモニタ容量素子の静電容量を第２モニタ用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【００３５】
続いて、ＡＤ変換部ＡＤＵ１は、ＣＶ変換部ＣＶＵ１から出力された第１モニタ用アナログ電圧信号を入力して、第１モニタ用アナログ電圧信号を第１モニタ用デジタル電圧信号に変換するとともに、ＣＶ変換部ＣＶＵ１から出力された第２モニタ用アナログ電圧信号を入力して、第２モニタ用アナログ電圧信号を第２モニタ用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【００３６】
次に、差動検出部ＤＭＵ１は、ＡＤ変換部ＡＤＵ１から出力された第１モニタ用デジタル電圧信号と第２モニタ用デジタル電圧信号の差分をとって、モニタ用差分電圧信号を出力するように構成されている。また、同期検波部ＷＤＵ１は、モニタ用差分電圧信号を復調（ダウンコンバート）して、モニタ用復調電圧信号を出力するように構成されている。
【００３７】
さらに、ＡＧＣ部ＡＧＣは、同期検波部ＷＤＵ１で復調したモニタ用復調電圧信号に基づいて、駆動電圧（＋Ｖｄや−Ｖｄ）の振幅を一定に保つように制御するように構成されている。一方、ＡＦＣ部ＡＦＣは、同期検波部ＷＤＵ１で復調したモニタ用復調電圧信号に基づいて、駆動電圧の周波数（駆動周波数）を駆動振動系の固有振動数の変化に追従させるように構成されている。そして、ＤＡ変換部ＤＡＵ１は、ＡＧＣ部ＡＧＣで生成されたアナログ信号や、ＡＦＣ部ＡＦＣで生成されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されている。
【００３８】
続いて、錘Ｍ１の下層には検出電極ＤＴＥ１が配置されており、錘Ｍ２の下層には検出電極ＤＴＥ２が配置されている。この検出電極ＤＴＥ１と錘Ｍ１、検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２によって、それぞれ、検出容量素子が形成されている。そして、検出電極ＤＴＥ１および検出電極ＤＴＥ２は、ＣＶ変換部ＣＶＵ２と電気的に接続されている。
【００３９】
ＣＶ変換部ＣＶＵ２は、検出電極ＤＴＥ１と接続されており、検出電極ＤＴＥ１と錘Ｍ１からなる検出容量素子の静電容量を第１検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。同様に、ＣＶ変換部ＣＶＵ２は、検出電極ＤＴＥ２と接続されており、検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２からなる検出容量素子の静電容量を第２検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【００４０】
続いて、ＡＤ変換部ＡＤＵ２は、ＣＶ変換部ＣＶＵ２から出力された第１検出用アナログ電圧信号を入力して、第１検出用アナログ電圧信号を第１検出用デジタル電圧信号に変換するとともに、ＣＶ変換部ＣＶＵ２から出力された第２検出用アナログ電圧信号を入力して、第２検出用アナログ電圧信号を第２検出用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【００４１】
次に、差動検出部ＤＭＵ２は、ＡＤ変換部ＡＤＵ２から出力された第１検出用デジタル電圧信号と第２検出用デジタル電圧信号の差分をとって、検出用差分電圧信号を出力するように構成されている。また、同期検波部ＷＤＵ２は、検出用差分電圧信号を復調して、検出用復調電圧信号を出力するように構成されている。さらに、ローパスフィルタＬＰＦ１は、特定周波数よりも低い周波数の信号を減衰させることなく通過させるとともに、特定周波数よりも高い周波数の信号を減衰させて遮断させるように構成されている。
【００４２】
＜角速度を検出する原理および動作＞
本実施の形態１において、角速度検知部を使用して角速度を検出する回路は上記のように構成されており、以下に、このように構成されている回路を使用して角速度を検出する原理および動作について、図３を参照しながら説明する。
【００４３】
まず、図３において、錘Ｍ１および錘Ｍ２は、それぞれの錘Ｍ１および錘Ｍ２の外側に配置されている駆動電極ＤＲＥ１と、それぞれの錘Ｍ１および錘Ｍ２の内側に配置されている駆動電極ＤＲＥ２によって、Ｘ方向に励振される。具体的に、駆動電極ＤＲＥ１には、駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加され、駆動電極ＤＲＥ２には、駆動信号としてＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄが印加される。一方、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、Ｖｃｏｍ＋Ｖｃａが印加されている。したがって、例えば、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ１との間の電位差はＶｂ＋Ｖｄであり、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ２との間の電位差はＶｂ−Ｖｄとなる。同様に、錘Ｍ２と駆動電極ＤＲＥ１との間の電位差はＶｂ＋Ｖｄであり、錘Ｍ２と駆動電極ＤＲＥ２との間の電位差はＶｂ−Ｖｄとなる。このとき、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ１、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ２、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ１、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ２によって、それぞれ、駆動容量素子が形成され、これらの駆動容量素子に上述した電位差が発生する。これにより、それぞれの駆動容量素子に静電気力が発生し、この静電気力に基づいて、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動する。つまり、錘Ｍ１と錘Ｍ２は駆動振動することになる。
【００４４】
ここで、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、コモン電圧（Ｖｃｏｍ）の他に、キャリア電圧（Ｖｃａ）も印加されているが、キャリア電圧（Ｖｃａ）の周波数は数百ｋＨｚであり、錘Ｍ１および錘Ｍ２の駆動振動系が追従できないほど充分に高いため、キャリア電圧（Ｖｃａ）は錘Ｍ１および錘Ｍ２を振動させる駆動力としては作用しないのである。
【００４５】
次に、式（１）は、Ｘ方向の駆動振動の振幅（駆動振幅ＡＸ）とコリオリ力Ｆｃとの関係を示す式であり、式（２）は、Ｚ方向の検出振幅ｚとコリオリ力Ｆｃとの関係を示す式である。
【００４６】
Ｆｃ＝２×ｍ×Ω×ＡＸ×ωｘ×ｃｏｓ（ωｘ×ｔ）・・・（１）
ここで、Ｆｃはコリオリ力、ｍは錘の質量、Ωは印加される角速度、ＡＸは駆動振幅、ωｘ／２πは駆動周波数、ｔは時間を示している。
【００４７】
ｚ＝Ｆｃ×Ｑｚ／ｋｚ・・・（２）
ここで、Ｆｃはコリオリ力、ｚは検出振幅、Ｑｚは検出方向（Ｚ方向）の機械品質係数、ｋｚは支持梁のｚ方向のバネ定数を示している。
【００４８】
上述した式（１）および式（２）において、錘Ｍ１および錘Ｍ２の質量ｍと、駆動角振動数ωｘ（２πで割れば周波数となるため、駆動角振動数と駆動振動数とを混用する）、および、印加される角速度Ωが一定であると仮定すると、角速度センサの出力として変換されるコリオリ力Ｆｃと検出振幅ｚは、駆動振幅ＡＸのみの関数となる。したがって、周辺圧力の変動や振動外乱がある場合でも、角速度センサの感度を一定に維持して信頼性を確保するためには、駆動振幅ＡＸを一定にするように制御すればよい。この観点から、本実施の形態１では、駆動振幅ＡＸを常にモニタリングし、モニタリングしている駆動振幅ＡＸが一定となるようにフィードバック制御することにより、角速度センサの感度を一定に維持して信頼性を確保している。
【００４９】
以下では、このフィードバック制御について説明する。本実施の形態１における角速度検知部では、錘Ｍ１および錘Ｍ２の外側に配置されているモニタ電極ＭＥ１と、錘Ｍ１および錘Ｍ２の内側に配置されているモニタ電極ＭＥ２を使用して駆動振幅ＡＸをモニタリングしている。具体的には、錘Ｍ１とモニタ電極ＭＥ１、錘Ｍ２とモニタ電極ＭＥ１、錘Ｍ１とモニタ電極ＭＥ２、錘Ｍ２とモニタ電極ＭＥ２のそれぞれから構成されるモニタ容量素子の静電容量変化を検出することにより、駆動振幅ＡＸをモニタリングしている。この駆動振幅ＡＸをモニタリングする原理について、図３を参照しながら説明する。
【００５０】
錘Ｍ１および錘Ｍ２には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、モニタ容量素子の静電容量に応じて、モニタ電極ＭＥ１およびモニタ電極ＭＥ２で電荷の移動を発生させる。このモニタ電極ＭＥ１での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で第１モニタ用アナログ電圧信号が生成される。同様に、モニタ電極ＭＥ２での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で第２モニタ用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ１において、それぞれ、第１モニタ用デジタル電圧信号と、第２モニタ用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ１から出力された第１モニタ用デジタル電圧信号と第２モニタ用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ１に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ１では、第１モニタ用デジタル電圧信号と第２モニタ用デジタル電圧信号の差分をとって、モニタ用差分電圧信号を出力する。
【００５１】
このとき、錘Ｍ１および錘Ｍ２が駆動振動していない場合、すなわち、駆動振幅ＡＸが０である場合、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、キャリア電圧（Ｖｃａ）だけが印加されることになる。キャリア電圧（Ｖｃａ）は数百ｋＨｚという高周波電圧であり、錘Ｍ１および錘Ｍ２は追従することができないため、錘Ｍ１および錘Ｍ２は静止状態となる。この場合、モニタ電極ＭＥ１によるモニタ容量素子の静電容量と、モニタ電極ＭＥ２によるモニタ容量素子の静電容量は等しくなるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は等しくなる。したがって、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第１モニタ用アナログ電圧信号を変換した第１モニタ用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第２モニタ用アナログ電圧信号を変換した第２モニタ用デジタル電圧信号も等しくなる。このことから、錘Ｍ１および錘Ｍ２が駆動振動していない場合、すなわち、駆動振幅ＡＸが０である場合、差動検出部ＤＭＵ１で生成されるモニタ用差分電圧信号は０となる。
【００５２】
一方、錘Ｍ１および錘Ｍ２が駆動振動（逆相振動）している場合、すなわち、駆動振幅ＡＸが０でない場合、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、キャリア電圧（Ｖｃａ）と駆動電圧（＋Ｖｄや−Ｖｄ）が印加されることになる。したがって、錘Ｍ１および錘Ｍ２が逆相振動している場合、錘Ｍ１および錘Ｍ２の駆動振幅ＡＸに比例して、例えば、モニタ電極ＭＥ１を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が増加し、モニタ電極ＭＥ２を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が減少する変化、あるいは、モニタ電極ＭＥ１を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が減少し、モニタ電極ＭＥ２を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が増加する変化が生じる。このため、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第１モニタ用アナログ電圧信号を変換した第１モニタ用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第２モニタ用アナログ電圧信号を変換した第２モニタ用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、錘Ｍ１および錘Ｍ２が駆動振動（逆相振動）している場合、差動検出部ＤＭＵ１からは、駆動振幅ＡＸに比例したモニタ用差分電圧信号が出力される。
【００５３】
この差動検出部ＤＭＵ１から出力されたモニタ用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ１で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号に変換（復調）される。このようにして、低周波数の信号に変換された駆動振幅ＡＸは、ＡＧＣ部ＡＧＣに入力されて、予め設定されている目標値と比較される。そして、この比較結果に基づき、ＤＡ変換部ＤＡＵ１を介して、駆動電圧Ｖｄ（−Ｖｄ）の大きさが調整される。このようにして、駆動振幅ＡＸを予め設定した目標値になるようにフィードバック制御を行なうことができる。
【００５４】
以上は、駆動振幅ＡＸを一定に保持するようなフィードバック制御について説明したが、さらに、本実施の形態１では、錘Ｍ１および錘Ｍ２を駆動振動させる駆動電圧（Ｖｄや−Ｖｄ）の周波数（駆動周波数）も一定になるように制御している。例えば、小さな駆動電圧で大きい駆動振幅ＡＸを得るためには、駆動電圧（Ｖｄや−Ｖｄ）の駆動周波数を、錘Ｍ１、錘Ｍ２、リンク梁ＬＢおよび支持梁ＳＢ１で構成される駆動振動系の固有振動数に合わせて共振させることが有効である。しかし、駆動振動系の固有振動数は必ずしも一定ではなく、周辺環境（温度や圧力）によって変化する。そこで、本実施の形態１では、周辺環境の変動に起因する駆動振動系の固有振動数の変動に、駆動周波数を追従させるため、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いたフィードバック制御を行なっている。具体的には、図３に示すＡＦＣ部ＡＦＣによって、ＡＦＣ（Auto Frequency Control）を実施している。
【００５５】
また、本実施の形態１では、図３に示すように、２つの錘Ｍ１と錘Ｍ２が駆動方向（Ｘ方向）に逆相振動した場合、同じ方向（増える方向、または、減る方向）に静電容量が変化するモニタ容量素子を構成するモニタ電極ＭＥ１同士をＣＶ変換部ＣＶＵ１の前で互いに電気的に接続している。同様に、２つの錘Ｍ１と錘Ｍ２が駆動方向（Ｘ方向）に逆相振動した場合、同じ方向（増える方向、または、減る方向）に静電容量が変化するモニタ容量素子を構成するモニタ電極ＭＥ２同士をＣＶ変換部ＣＶＵ１の前で互いに電気的に接続している。このため、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動している場合、互いに電気的に接続しているモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量は共に同じ方向（増える方向、あるいは、減る方向）に変化する。同様に、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動している場合、互いに電気的に接続しているモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量は共に同じ方向（減る方向、あるいは、増える方向）に変化する。そして、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が増加する場合、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量は減少する。一方、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が減少する場合、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子の静電容量は増加する。したがって、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動している場合、差動検出部ＤＭＵ１で振動振幅ＡＸに比例したモニタ用差分電圧信号を得ることができる。
【００５６】
これに対し、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、互いに電気的に接続されている２つのモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子は、一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少する。したがって、２つのモニタ電極ＭＥ１を互いに電気的に接続すると、静電容量の増加と静電容量の減少が組み合わさり、この結果、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、互いに電気的に接続されている２つのモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子を組み合わせたトータルの静電容量は変化しないことになる。同様に、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、互いに電気的に接続されている２つのモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子は、一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少する。したがって、２つのモニタ電極ＭＥ２を互いに電気的に接続すると、静電容量の増加と静電容量の減少が組み合わさり、この結果、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、互いに電気的に接続されている２つのモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子を組み合わせたトータルの静電容量は変化しないことになる。このことから、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ１のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子を組み合わせた静電容量と、互いに電気的に接続された２つのモニタ電極ＭＥ２のそれぞれを構成要素とするモニタ容量素子を組み合わせた静電容量は等しくなる。このため、ＣＶ変換部ＣＶＵ１で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は等しくなる。したがって、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第１モニタ用アナログ電圧信号を変換した第１モニタ用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ１で第２モニタ用アナログ電圧信号を変換した第２モニタ用デジタル電圧信号も等しくなる。このことから、錘Ｍ１および錘Ｍ２が同相振動している場合、差動検出部ＤＭＵ１で生成されるモニタ用差分電圧信号は０となる。
【００５７】
このように、本実施の形態１では、錘Ｍ１と錘Ｍ２が同相振動している場合、差動検出部ＤＭＵ１から出力されるモニタ用差分電圧信号が０となる一方で、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動している場合、差動検出部ＤＭＵ１で振動振幅ＡＸに比例したモニタ用差分電圧信号を得ることができる。つまり、同相振動には反応せず、逆相振動にのみ感度を持つモニタ容量素子を構成することができるため、外部からの同相ノイズの影響を受けにくい利点がある。
【００５８】
さらに、本実施の形態１において、例えば、図３に示すように、モニタ電極ＭＥ１やモニタ電極ＭＥ２を構成要素とするモニタ容量素子を平行平板型構造として表しているが、このモニタ容量素子を櫛歯型構造としてもよい。このように、モニタ容量素子を櫛歯型構造とすることにより、平行平板型構造で発生する非線形（容量の変化と駆動振幅の比）的な挙動を抑制することができる。
【００５９】
図４は、平行平板型構造の容量素子を示す模式図である。図４に示す平行平板型構造の容量素子において、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２の間の距離がｄ（ｘ）であり、電極ＥＬ１および電極ＥＬ２の面積をＳとする。平行平板型構造の容量素子では、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２の間の距離ｄ（ｘ）が変化することにより、静電容量が変化する。具体的に、平行平板型構造の容量素子における静電容量は、Ｃ＝εＳ／ｄ（ｘ）となる。ここで、εは誘電率である。この場合、変数であるｄ（ｘ）が分母に存在することになるため、静電容量の変化は非線形を示すことがわかる。
【００６０】
一方、図５は、櫛歯型構造の容量素子を示す模式図である。図５に示す櫛歯型構造の容量素子において、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２の間の距離がｄ（固定）であり、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２の平面的に見て重なる面積をＳ（ｘ）とする。櫛歯型構造の容量素子では、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２の平面的に見て重なる面積Ｓ（ｘ）が変化することにより、静電容量が変化する。具体的に、櫛歯型構造の容量素子における静電容量は、Ｃ＝εＳ（ｘ）／ｄとなる。ここで、εは誘電率である。この場合、変数であるＳ（ｘ）が分子に存在することになるため、静電容量の変化は非線形を示しにくくなることがわかる。このことから、モニタ容量素子を櫛歯型構造とすることにより、平行平板型構造で発生する非線形的な挙動を抑制することができることがわかる。
【００６１】
次に、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動している状態で、Ｙ軸周りに角速度Ωが印加される場合を考える。Ｙ軸周りに角速度Ωが印加されると、錘Ｍ１および錘Ｍ２には、検出方向（Ｚ方向）に式（１）で示されるコリオリ力Ｆｃが発生し、式（１）および式（２）からわかるように、コリオリ力Ｆｃが発生すると、印加される角速度Ωに比例した検出方向（Ｚ方向）の振動（検出振幅ｚ）が発生する。このとき、錘Ｍ１と錘Ｍ２が逆相振動しているため、錘Ｍ１や錘Ｍ２に発生する検出方向の振動も逆相となる。この検出方向の振動が発生すると、錘Ｍ１と検出電極ＤＴＥ１からなる検出容量素子の静電容量が変化する。同様に、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子の静電容量も変化する。ここで、錘Ｍ１に発生する検出方向の振動と、錘Ｍ２に発生する検出方向の振動は逆相となっているため、錘Ｍ１と検出電極ＤＴＥ１からなる検出容量素子の静電容量が増加する方向に変化する場合、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子の静電容量は減少する方向に変化する。同様に、錘Ｍ１と検出電極ＤＴＥ１からなる検出容量素子の静電容量が減少する方向に変化する場合、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子の静電容量は増加する方向に変化する。
【００６２】
このような検出容量素子の静電容量の変化に応じて、検出電極ＤＴＥ１および検出電極ＤＴＥ２で電荷の移動を発生させる。この検出電極ＤＴＥ１での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ２で第１検出用アナログ電圧信号が生成される。同様に、検出電極ＤＴＥ２での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ２で第２検出用アナログ電圧信号が生成される。このとき、錘Ｍ１と検出電極ＤＴＥ１からなる検出容量素子の静電容量の変化と、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子の静電容量の変化は、上述したように異なるため、第１検出用アナログ電圧信号と、第２検出用アナログ電圧信号は異なる信号となる。
【００６３】
そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ２で生成された第１検出用アナログ電圧信号と第２検出用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ２において、それぞれ、第１検出用デジタル電圧信号と、第２検出用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ２から出力された第１検出用デジタル電圧信号と第２検出用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ２に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ２では、第１検出用デジタル電圧信号と第２検出用デジタル電圧信号の差分をとって、検出用差分電圧信号が出力される。
【００６４】
この差動検出部ＤＭＵ２から出力された検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ２で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ１で高周波成分が除去されて、角速度Ωに対応した信号が出力される。このようにして、Ｙ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
【００６５】
本実施の形態１における角速度検知部では、錘Ｍ１、錘Ｍ２、リンク梁ＬＢおよび支持梁ＳＢ１で構成される駆動振動系の固有振動数を十数ｋＨｚ以上に設計し、駆動振動の周波数（駆動周波数）をこの駆動振動系の固有振動数に合わせている。また、錘１と支持梁ＳＢ１、あるいは、錘Ｍ２と支持梁ＳＢ１によって構成される検出振動系においても、検出振動系の固有振動数を駆動振動系の固有振動数の近傍に設計している。
【００６６】
本実施の形態１における角速度検知部の感度Ｓを、検出振幅ｚと入力される角速度Ωの比（Ｓ＝ｚ／Ω）で定義し、式（１）〜式（４）を用いて整理すると式（５）が得られる。
【００６７】
Ｑｚ＝（２×√（ｍ×ｋｚ）／Ｃｚ・・・（３）
ここで、ＣｚはＺ方向のダンピング係数を示している。
【００６８】
ωｚ＝√（ｋｚ／ｍ）・・・（４）
ここで、ωｚは検出振動系の固有振動数である。ωｘ（駆動振動系の固有振動数）とωｚ（検出振動系の固有振動数）は、ほぼ同じであり、錘の質量ｍが同じであるため、ｋｘ≒ｋｚが成立する。
【００６９】
Ｓ＝ｚ／Ω＝２×ｍ×ＡＸ／Ｃｚ・・・（５）
上述した式（５）から、感度Ｓは錘の質量ｍと、駆動振幅ＡＸ、および、Ｚ方向のダンピング係数Ｃｚのみの関数であり、駆動振動系の固有振動数ωｘや検出振動系の固有振動数ωｚには無関係であることがわかる。したがって、感度Ｓに影響を与えることなく、駆動振動系の固有振動数ωｘや検出振動系の固有振動数ωｚを選択することができることがわかる。
【００７０】
＜ＸＹ方向加速度を検出する回路構成＞
続いて、ＸＹ方向加速度検知部を使用してＸ方向の加速度とＹ方向の加速度を検出する回路構成について、図面を参照しながら説明する。図６は、ＸＹ方向加速度検知部を使用して加速度を検出するための回路構成を示すブロック図である。
【００７１】
まず、Ｘ方向の加速度を検知する回路構成について説明する。図６に示すように、錘Ｍ３の左右両側に検出電極ＤＴＥ３が形成されており、錘Ｍ３の左側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３によって１つの検出容量素子が形成されている。同様に、錘Ｍ３の右側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３によってもう１つの検出容量素子が形成されている。このとき、錘Ｍ３には、ＶｃｏｍとＶｃａが印加される。ここで、Ｖｃｏｍはコモン電圧を示している。このコモン電圧（Ｖｃｏｍ）は直流電圧となっている。一方、Ｖｃａはキャリア電圧を示している。このキャリア電圧は交流電圧となっている。
【００７２】
ＣＶ変換部ＣＶＵ３は、２つの検出電極ＤＴＥ３と接続されており、１つの検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量を第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。同様に、ＣＶ変換部ＣＶＵ３は、もう１つの検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量を第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【００７３】
続いて、ＡＤ変換部ＡＤＵ３は、ＣＶ変換部ＣＶＵ３から出力された第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号に変換するとともに、ＣＶ変換部ＣＶＵ３から出力された第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【００７４】
次に、差動検出部ＤＭＵ３は、ＡＤ変換部ＡＤＵ３から出力された第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｘ方向検出用差分電圧信号を出力するように構成されている。また、同期検波部ＷＤＵ３は、Ｘ方向検出用差分電圧信号を復調（ダウンコンバート）して、Ｘ方向検出用復調電圧信号を出力するように構成されている。さらに、ローパスフィルタＬＰＦ２は、特定周波数よりも低い周波数の信号を減衰させることなく通過させるとともに、特定周波数よりも高い周波数の信号を減衰させて遮断させるように構成されている。
【００７５】
次に、Ｙ方向の加速度を検知する回路構成について説明する。図６に示すように、錘Ｍ３の上下両側に検出電極ＤＴＥ４が形成されており、錘Ｍ３の上側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３によって１つの検出容量素子が形成されている。同様に、錘Ｍ３の下側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３によってもう１つの検出容量素子が形成されている。このとき、錘Ｍ３には、ＶｃｏｍとＶｃａが印加される。ここで、Ｖｃｏｍはコモン電圧を示している。このコモン電圧（Ｖｃｏｍ）は直流電圧となっている。一方、Ｖｃａはキャリア電圧を示している。このキャリア電圧は交流電圧となっている。
【００７６】
ＣＶ変換部ＣＶＵ４は、２つの検出電極ＤＴＥ４と接続されており、１つの検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量を第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。同様に、ＣＶ変換部ＣＶＵ４は、もう１つの検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量を第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【００７７】
続いて、ＡＤ変換部ＡＤＵ４は、ＣＶ変換部ＣＶＵ４から出力された第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号に変換するとともに、ＣＶ変換部ＣＶＵ４から出力された第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【００７８】
次に、差動検出部ＤＭＵ４は、ＡＤ変換部ＡＤＵ４から出力された第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｙ方向検出用差分電圧信号を出力するように構成されている。また、同期検波部ＷＤＵ４は、Ｙ方向検出用差分電圧信号を復調（ダウンコンバート）して、Ｙ方向検出用復調電圧信号を出力するように構成されている。さらに、ローパスフィルタＬＰＦ３は、特定周波数よりも低い周波数の信号を減衰させることなく通過させるとともに、特定周波数よりも高い周波数の信号を減衰させて遮断させるように構成されている。
【００７９】
＜ＸＹ方向の加速度を検出する動作＞
本実施の形態１において、ＸＹ方向加速度検知部を使用してＸＹ方向の加速度を検出する回路は上記のように構成されており、以下に、このように構成されている回路を使用してＸＹ方向の加速度を検出する動作について、図６を参照しながら説明する。
【００８０】
まず、Ｘ方向の加速度を検知する動作について説明する。図６において、錘Ｍ３には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、検出容量素子の静電容量に応じて、２つの検出電極ＤＴＥ３で電荷の移動を発生させる。一方の検出電極ＤＴＥ３での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ３で第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。同様に、もう一方の検出電極ＤＴＥ３での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ３で第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ３で生成された第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ３において、それぞれ、第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と、第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ３から出力された第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ３に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ３では、第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｘ方向検出用差分電圧信号を出力する。
【００８１】
このとき、Ｘ方向の加速度が印加されていない場合、錘Ｍ３には、キャリア電圧（Ｖｃａ）だけが印加されることになる。キャリア電圧（Ｖｃａ）は数百ｋＨｚという高周波電圧であり、錘Ｍ３は追従することができないため、錘Ｍ３は静止状態となる。この場合、１つの検出電極ＤＴＥ３による検出容量素子の静電容量と、もう１つの検出電極ＤＴＥ３による検出容量素子の静電容量は等しくなるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ３で生成された第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号は等しくなる。したがって、ＡＤ変換部ＡＤＵ３で第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ３で第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号も等しくなる。このことから、Ｘ方向に加速度が印加されていない場合、差動検出部ＤＭＵ３で生成されるＸ方向検出用差分電圧信号は０となる。
【００８２】
一方、例えば、＋Ｘ方向に加速度が印加された場合を考える。この場合、錘Ｍ３は＋Ｘ方向に変位するため、錘Ｍ３の左側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は減少し、錘Ｍ３の右側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は増加する。したがって、錘Ｍ３の左側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量と、錘Ｍ３の右側に配置されている検出電極ＤＴＥ３と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は異なることになるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ３で生成された第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ３で第１Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｘ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ３で第２Ｘ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第２Ｘ方向検出用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、例えば、＋Ｘ方向に加速度が印加された場合、差動検出部ＤＭＵ３からは、加速度の大きさに比例したＸ方向検出用差分電圧信号が出力される。
【００８３】
この差動検出部ＤＭＵ３から出力されたＸ方向検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ３で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（Ｘ方向検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ２で高周波成分が除去されて、Ｘ方向の加速度に対応した信号が出力される。このようにして、Ｘ方向の加速度を検出することができる。
【００８４】
続いて、Ｙ方向の加速度を検知する動作について説明する。図６において、錘Ｍ３には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、検出容量素子の静電容量に応じて、２つの検出電極ＤＴＥ４で電荷の移動を発生させる。一方の検出電極ＤＴＥ４での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ４で第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。同様に、もう一方の検出電極ＤＴＥ４での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ４で第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ４で生成された第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ４において、それぞれ、第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と、第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ４から出力された第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ４に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ４では、第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｙ方向検出用差分電圧信号を出力する。
【００８５】
このとき、Ｙ方向の加速度が印加されていない場合、錘Ｍ３には、キャリア電圧（Ｖｃａ）だけが印加されることになる。キャリア電圧（Ｖｃａ）は数百ｋＨｚという高周波電圧であり、錘Ｍ３は追従することができないため、錘Ｍ３は静止状態となる。この場合、１つの検出電極ＤＴＥ４による検出容量素子の静電容量と、もう１つの検出電極ＤＴＥ４による検出容量素子の静電容量は等しくなるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ４で生成された第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号は等しくなる。したがって、ＡＤ変換部ＡＤＵ４で第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ４で第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号も等しくなる。このことから、Ｙ方向に加速度が印加されていない場合、差動検出部ＤＭＵ４で生成されるＹ方向検出用差分電圧信号は０となる。
【００８６】
一方、例えば、＋Ｙ方向に加速度が印加された場合を考える。この場合、錘Ｍ３は＋Ｙ方向に変位するため、錘Ｍ３の下側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は減少し、錘Ｍ３の上側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は増加する。したがって、錘Ｍ３の下側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量と、錘Ｍ３の上側に配置されている検出電極ＤＴＥ４と錘Ｍ３からなる検出容量素子の静電容量は異なることになるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ４で生成された第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号と第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ４で第１Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｙ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ４で第２Ｙ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第２Ｙ方向検出用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、例えば、＋Ｙ方向に加速度が印加された場合、差動検出部ＤＭＵ４からは、加速度の大きさに比例したＹ方向検出用差分電圧信号が出力される。
【００８７】
この差動検出部ＤＭＵ４から出力されたＹ方向検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ４で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（Ｘ方向検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ３で高周波成分が除去されて、Ｙ方向の加速度に対応した信号が出力される。このようにして、Ｙ方向の加速度を検出することができる。
【００８８】
続いて、Ｚ方向の加速度を検出する回路構成について説明する。本実施の形態１における技術的思想は、Ｚ方向の加速度を検出する回路構成に特徴がある。以下に、まず、一般的なＺ方向の加速度を検出する回路構成について説明した後、この一般的な技術の問題点を説明し、その後、この問題点を解決する工夫を施した本実施の形態１における技術的思想について説明する。
【００８９】
＜Ｚ方向の加速度を検出する一般的な技術＞
図７は、Ｚ方向の加速度を検出する一般的な回路構成を示す回路ブロック図である。図７において、錘Ｍ４のＺ方向下側に検出電極ＤＴＥ５が形成されており、この検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４によって１つの検出容量素子が形成されている。このとき、錘Ｍ４には、ＶｃｏｍとＶｃａが印加される。ここで、Ｖｃｏｍはコモン電圧を示している。このコモン電圧（Ｖｃｏｍ）は直流電圧となっている。一方、Ｖｃａはキャリア電圧を示している。このキャリア電圧は交流電圧となっている。
【００９０】
ＣＶ変換部ＣＶＵ５は、検出電極ＤＴＥ５と接続されており、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量を第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【００９１】
続いて、ＡＤ変換部ＡＤＵ５は、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から出力された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【００９２】
同期検波部ＷＤＵ５は、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号を復調（ダウンコンバート）して、Ｘ方向検出用復調電圧信号を出力するように構成されている。さらに、ローパスフィルタＬＰＦ４は、特定周波数よりも低い周波数の信号を減衰させることなく通過させるとともに、特定周波数よりも高い周波数の信号を減衰させて遮断させるように構成されている。
【００９３】
Ｚ方向の加速度を検出する一般的な回路は上記のように構成されており、以下に、このように構成されている回路を使用してＺ方向の加速度を検出する動作について、図７を参照しながら説明する。
【００９４】
まず、図７において、錘Ｍ４には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、検出容量素子の静電容量に応じて、検出電極ＤＴＥ５で電荷の移動を発生させる。この検出電極ＤＴＥ５での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で生成された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ５において、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ５から出力された第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ５で、キャリア周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（Ｚ方向検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ４で高周波成分が除去されて、Ｚ方向の加速度に対応した信号が出力される。例えば、Ｚ方向に加速度が印加されていない場合は、静止している錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５で構成される検出容量素子の初期容量Ｃ０に対応した信号が出力される。一方、例えば、＋Ｚ方向に加速度が印加される場合、錘Ｍ４は＋Ｚ方向に変位するため、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５で構成される検出容量素子の静電容量はＣ０−ΔＣとなり、この静電容量（Ｃ０−ΔＣ）に対応した信号が出力される。この結果、＋Ｚ方向に印加される加速度を検出することができる。
【００９５】
＜Ｚ方向の加速度を検出する一般的な技術の問題点＞
しかし、上述したＺ方向の加速度を検出する一般的な回路構成には、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子しか形成されていない。このことから、錘Ｍ４が＋Ｚ方向に変位した場合、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子の静電容量は減少するが、上述した回路には、錘Ｍ４が＋Ｚ方向に変位した場合に静電容量が増加する検出容量素子に対応する検出電極が存在しない。つまり、一般的な回路構成では、Ｚ方向において、錘Ｍ４が変位した場合に静電容量が増加する検出容量素子と、静電容量が減少する検出容量素子と両方を形成するように構成されていない。これは、Ｚ方向が半導体基板の積層方向（厚さ方向）であり、面外方向（Ｚ方向）において加速度が印加された場合、錘Ｍ４の動きによって静電容量が増える検出容量素子と静電容量が減る検出容量素子の両方を形成することが製造プロセス上で困難となるからである。したがって、図７に示すように、Ｚ方向の加速度を検出する一般的な回路構成では、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子しか形成されていないのである。このとき、図７に示すように、同期検波部ＷＤＵ５には、Ｃ０（初期容量）±ΔＣ（変位によって発生した容量変化）からなる容量に対応した大きな第１Ｚ方向検出用デジタル信号がそのまま入力することになる。この場合、Ｚ方向の加速度を検出する感度が低下する問題点が発生する。
【００９６】
例えば、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の初期容量をＣ０＝１ｐＦ、Ｚ方向への最大加速度が印加されたときの容量変化をΔＣ＝１０ｆＦ、Ｚ方向の加速度を検出する加速度センサの分解能を１ｆＦとする。そして、Ｚ方向の加速度を検出する加速度センサのダイナミックレンジを加速度センサの分解能と、同期検波部ＷＤＵ５に入力される最大信号量の比として定義すると、加速度センサのダイナミックレンジは、１ｆＦ／１０００ｆＦ（１ｐＦ）であり、０．１％となる。
【００９７】
一般的に、加速度センサの高分解能と高感度の指標となるダイナミックレンジは大きいほうが加速度センサの高分解能と高感度を実現できる。このため、ダイナミックレンジを大きくする工夫が実施されている。具体的には、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の初期容量と同じ大きさの容量を持つ参照容量素子を使用して差動検出することにより、初期容量（Ｃ０）を相殺している。この技術によれば、同期検波部ＷＤＵ５に入力される最大信号は、最大加速度が印加されたときの容量変化（ΔＣ（＝１０ｆＦ））となる。そして、加速度センサの分解能が１ｆＦであることから、ダイナミックレンジは、１ｆＦ／１０ｆＦであり、１０％になる。したがって、参照容量素子を使用しない場合と比べて、１００倍ものダイナミックレンジを得ることができる。このことから、参照容量素子を使用して初期容量を相殺する差動検出を行なうことにより、ダイナミックレンジを大幅に大きくすることができ、この結果、Ｚ方向の加速度を検出する加速度センサの検出感度を向上させることができることがわかる。
【００９８】
以上のことから、Ｚ方向の加速度を検出する加速度センサにおいて、高感度を実現するためには、参照容量素子を使用した差動検出を実施することが望ましいことがわかる。ところが、半導体チップ上に、他の機能は持たず、単に、参照容量を提供するだけの参照容量素子（固定容量素子）を形成する場合、センサの小型化や、半導体ウェハ一枚当たりの取得チップ数の増加による製造コストの低減効果は限定的なものとなる。つまり、Ｚ方向の加速度を検出する加速度センサの感度を向上させる観点からは、参照容量素子を半導体チップ上に形成することが望ましいが、単に、半導体チップ上に固定容量である参照容量素子を形成する技術は、センサの小型化やコスト低減の観点から望ましいとは言えないのである。
【００９９】
そこで、本実施の形態１では、複数の物理量を検出できる複合センサにおいて、それぞれのセンサ間で共有できる要素を増やすことにより、性能を維持しながらも小型化や低コスト化を実現することができる複合センサを提供する工夫を施している。以下に、この工夫を施した本実施の形態１における技術的思想について説明する。
【０１００】
＜本実施の形態１におけるＺ方向の加速度を検出する回路構成＞
図８は、本実施の形態１におけるＺ方向の加速度を検出する回路構成を示す回路ブロック図である。図８において、錘Ｍ４のＺ方向下側に検出電極ＤＴＥ５が形成されており、この検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４によって１つの検出容量素子が形成されている。このとき、錘Ｍ４には、ＶｃｏｍとＶｃａが印加される。ここで、Ｖｃｏｍはコモン電圧を示している。このコモン電圧（Ｖｃｏｍ）は直流電圧となっている。一方、Ｖｃａはキャリア電圧を示している。このキャリア電圧は交流電圧となっている。また、上述したコモン電圧（Ｖｃｏｍ）およびキャリア電圧（Ｖｃａ）は錘Ｍ２にも印加されるように構成されている。そして、錘Ｍ２のＺ方向下側には検出電極ＤＴＥ２が配置されており、この検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２によって１つの参照容量素子が形成されている。つまり、本実施の形態１では、角速度検知部に使用されている錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２を、Ｚ方向の加速度を検出するＺ方向加速度検知部の参照容量素子としても使用する点に特徴がある。すなわち、本実施の形態１のＺ方向加速度検知部の特徴は、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子に対する参照容量素子として、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を使用していることにある。このように、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を、Ｚ方向加速度検知部の参照容量素子として使用することにより、他の機能は持たず、参照容量を提供するだけのために形成される参照容量素子（固定容量素子）が不要となるため、角速度検知部とＺ方向加速度検知部を備える複合センサの小型化を図ることができる。
【０１０１】
次に、ＣＶ変換部ＣＶＵ５は、検出電極ＤＴＥ２および検出電極ＤＴＥ５と接続されており、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量を第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。同様に、ＣＶ変換部ＣＶＵ５は、検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２からなる参照容量素子の静電容量を第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号に変換するように構成されている。
【０１０２】
続いて、ゲイン調整部ＧＡＵ１は、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から出力される第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさ（ゲイン）を調整するように構成されている。
【０１０３】
さらに、ＡＤ変換部ＡＤＵ５は、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から出力された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を入力して、第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号に変換するとともに、ゲイン調整部ＧＡＵ１から出力された第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号を入力して、第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号を第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号に変換するように構成されている。
【０１０４】
次に、差動検出部ＤＭＵ５は、ＡＤ変換部ＡＤＵ５から出力された第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｚ方向検出用差分電圧信号を出力するように構成されている。また、同期検波部ＷＤＵ５は、Ｚ方向検出用差分電圧信号を復調（ダウンコンバート）して、Ｚ方向検出用復調電圧信号を出力するように構成されている。さらに、ローパスフィルタＬＰＦ４は、特定周波数よりも低い周波数の信号を減衰させることなく通過させるとともに、特定周波数よりも高い周波数の信号を減衰させて遮断させるように構成されている。
【０１０５】
ここで、本実施の形態１では、ゲイン調整部ＧＡＵ１を設けて、第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさを調整している理由について説明する。例えば、本実施の形態１におけるＺ方向加速度検知部では、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子を使用し、かつ、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２を参照容量素子として併用している。したがって、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる参照容量素子と、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５からなる検出容量素子は、本来、異なる検知部（Ｚ方向加速度検知部と角速度検知部）に属する構成要素であるため、上述した検出容量素子と参照容量素子は形状（面積や要素間距離）が異なっていることが通常であると考えられる。このことは、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子の初期容量と、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２から構成される参照容量素子の参照容量が相違していることを意味する。このことから、例えば、Ｚ方向に加速度が印加されていない場合でも、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で検出容量素子の初期容量を変換した第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号と、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で参照容量素子の参照容量を変換した第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさが異なることになり、差動検出部ＤＭＵ５から出力されるＺ方向検出用差分電圧信号が０にならない。しかし、加速度センサとしては、Ｚ方向に加速度が印加されていない場合、差動検出部ＤＭＵ５から出力されるＺ方向検出用差分電圧信号が０であることが望ましい。そこで、本実施の形態１では、第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさ（ゲイン）を調整するゲイン調整部ＧＡＵ１を設けることにより、Ｚ方向に加速度が印加されていない場合に、差動検出部ＤＭＵ５から出力されるＺ方向検出用差分電圧信号が０となるように構成しているのである。つまり、本実施の形態１では、錘Ｍ４と検出電極ＤＴＥ５から構成される検出容量素子の初期容量と、錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２から構成される参照容量素子の参照容量との相違に起因する零点オフセットを調整するために、ゲイン調整部ＧＡＵ１を設けているのである。なお、図８に示す本実施の形態１では、第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさを調整するようにゲイン調整部ＧＡＵ１を構成しているが、これに限らず、例えば、第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号の大きさを調整するようにゲイン調整部ＧＡＵ１を設けるようにしてもよい。
【０１０６】
以上のように、本実施の形態１のＺ方向加速度検知部の特徴は、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子に対する参照容量素子として、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を使用している点にある。この観点から、本実施の形態１における技術的思想は、（ａ）第１物理量（加速度）の印加を第１検出容量素子の静電容量の変化として捉える第１検知部と、（ｂ）第２物理量（角速度）の印加を第２検出容量素子の静電容量の変化として捉える第２検知部とを備える。ここで、前記複合センサは、前記第１検知部から出力される前記第１検出容量素子の静電容量を変換した検出用信号と、前記第２検知部から出力される前記第２検出容量素子の静電容量を変換した参照用信号との差分に基づいて、前記第１物理量を検知することを特徴とするものである。
【０１０７】
＜Ｚ方向の加速度を検出する動作＞
本実施の形態１において、Ｚ方向加速度検知部を使用してＺ方向の加速度を検出する回路は上記のように構成されており、以下に、このように構成されている回路を使用してＺ方向の加速度を検出する動作について、図８を参照しながら説明する。
【０１０８】
まず、図８において、錘Ｍ４および錘Ｍ２には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、検出容量素子の静電容量と参照容量素子の静電容量に応じて、検出電極ＤＴＥ２や検出電極ＤＴＥ５で電荷の移動を発生させる。検出電極ＤＴＥ５での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。同様に、検出電極ＤＴＥ２での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から出力された第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号は、ゲイン調整部ＧＡＵ１に入力し、第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号の大きさが調整される。その後、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で生成された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号と、ゲイン調整部ＧＡＵ１で大きさを調整された第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ５において、それぞれ、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と、第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ５から出力された第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ５に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ５では、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｚ方向検出用差分電圧信号を出力する。
【０１０９】
このとき、Ｚ方向の加速度が印加されていない場合、錘Ｍ４および錘Ｍ２には、キャリア電圧（Ｖｃａ）だけが印加されることになる。キャリア電圧（Ｖｃａ）は数百ｋＨｚという高周波電圧であり、錘Ｍ４および錘Ｍ２は追従することができないため、錘Ｍ４および錘Ｍ２は静止状態となる。この場合、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で生成された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号と、ゲイン調整部ＧＡＵ１で大きさを調整された第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号は等しくなる。したがって、ＡＤ変換部ＡＤＵ５で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ５で第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号を変換した第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号も等しくなる。このことから、Ｚ方向に加速度が印加されていない場合、差動検出部ＤＭＵ５で生成されるＺ方向検出用差分電圧信号は０となる。
【０１１０】
一方、例えば、＋Ｚ方向に加速度が印加された場合を考える。この場合、錘Ｍ４は＋Ｚ方向に変位するため、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量は減少する一方、検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２からなる参照容量素子の参照容量はほとんど変わらない。したがって、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量と、検出電極ＤＴＥ２と錘Ｍ２からなる参照容量素子の参照容量は異なることになるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ５で生成された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号と、ゲイン調整部ＧＡＵ１から出力された第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ５で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ５で第２Ｚ方向参照用アナログ電圧信号を変換した第２Ｚ方向参照用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、例えば、＋Ｚ方向に加速度が印加された場合、差動検出部ＤＭＵ５からは、加速度の大きさに比例したＺ方向検出用差分電圧信号が出力される。
【０１１１】
この差動検出部ＤＭＵ５から出力されたＺ方向検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ５で、キャリア周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（Ｚ方向検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ４で高周波成分が除去されて、Ｚ方向の加速度に対応した信号が出力される。このようにして、Ｚ方向の加速度を検出することができる。
【０１１２】
本実施の形態１によれば、Ｚ方向（半導体基板の厚さ方向）の加速度を検出する場合においても、１つの検出容量素子だけでなく、参照容量素子も使用して差動検出を行なっているので、図７に示す一般的な技術に比べて、高感度の加速度センサを実現することができる。そして、本実施の形態１におけるＺ方向加速度検知部では、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子に対する参照容量素子として、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を併用している。このように、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を、Ｚ方向加速度検知部の参照容量素子として使用することにより、他の機能は持たず、参照容量を提供するだけのために形成される参照容量素子（固定容量素子）が不要となるため、角速度検知部とＺ方向加速度検知部を備える複合センサの小型化を図ることができる。つまり、本実施の形態１では、参照容量素子を使用した差動検出をＺ方向の加速度の検出に使用することにより、高感度のセンシングを実現することができるとともに、参照容量素子として、角速度検知部を構成する錘Ｍ２と検出電極ＤＴＥ２からなる検出容量素子を使用しているため、他の機能は持たず、参照容量を提供するだけのために形成される参照容量素子（固定容量素子）を形成するスペースが不要となるため、角速度検知部とＺ方向加速度検知部を備える複合センサの小型化を図ることができるという顕著な効果を得ることができる。
【０１１３】
＜角速度検知部の検出容量素子を参照容量素子として使用できる理由＞
続いて、角速度検知部の検出容量素子をＺ方向加速度検知部の参照容量素子として使用できる理由について説明する。図９は、角速度検知部の検出振動系における周波数特性と、Ｚ方向加速度検知部の周波数特性を示すグラフである。図９において、横軸は周波数（Ｈｚ）を示しており、縦軸は変位を示している。図９に示すように、角速度検知部の検出振動系の周波数特性は、十数ｋＨｚに共振ピークを有するような周波数特性をしていることがわかる。一方、Ｚ方向加速度検知部の周波数特性は、共振ピークを持たず、数百Ｈｚに感度を有するような周波数特性をしていることがわかる。
【０１１４】
角速度検知部は、上述した式（３）や式（５）からわかるように、高感度を目的として大きな駆動振幅ＡＸを得るため、真空気密封止することにより、機械品質係数（Ｑｚ）が高くなるように設計している。一方、Ｚ方向加速度検知部は、重力や傾斜などの低周波振動を測定する要求が多いことから、なるべく固有振動数を下げ、ダンピングを強くし、共振ピークを持たないように設計している。さらに、Ｚ方向加速度センサにおいては、不要な高周波信号はローパスフィルタを用いて出力されないように処理している。
【０１１５】
ここで、Ｚ方向加速度検知部は、入力される加速度によって錘Ｍ４がＺ方向に変位するように構成されている。その変位（ｚ０）と入力される加速度（ａ）との関係は式（６）に示すようになる。
【０１１６】
ｚ０＝ａ／ω０２・・・（６）
ω０＝√（ｋ／ｍ）
式（６）から、変位ｚ０は、錘Ｍ４の質量ｍと支持梁ＳＢ３のばね定数ｋによって決まる検出振動系の固有振動数ω０の関数であることがわかる。したがって、参照容量素子の固有振動数をω１とする場合、差分変位Δｚは、式（７）のように定義することができる。
【０１１７】
Δｚ＝ｚ０−ｚ１＝ａ×（１／ω０２−１／ω１２）・・・（７）
このとき、参照容量素子の固有振動数ω１をα×ω０とおくと、式（７）は式（８）のようになる。
【０１１８】
Δｚ＝ｚ０−ｚ１＝ａ／ω０２×（１−１／α２）・・・（８）
式（８）において、参照容量素子として固定容量素子を使用する場合、αは無限大となり、Δｚ＝ｚ０となる。一方、α＝１の場合、すなわち、Ｚ方向加速度検知部の検出振動系と同じ固有振動数を持つ参照容量素子を使用する場合、Δｚ＝０となり、Ｚ方向加速度センサの出力が得られなくなってしまうことがわかる。つまり、参照容量素子として充分な機能を果たすためには、Ｚ方向加速度検知部の検出振動系の固有振動数ω０よりも充分大きな固有振動数を有する参照容量素子を使用する必要があることがわかる。
【０１１９】
ここで、本実施の形態１における複合センサでは、角速度検知部における検出振動系の固有振動数を数十ｋＨｚ（例えば、１０〜３０ｋＨｚ）としている一方、Ｚ方向加速度検知部における検出振動系の固有振動数を、例えば、１〜３ｋＨｚに設計している。したがって、Ｚ方向加速度検知部における検出振動系の固有振動数をω０とし、角速度検知部における検出振動系をＺ方向加速度検知部の参照容量素子として使用すると、Ｚ方向加速度検知部における検出振動系の固有振動数（ω０）と参照容量素子の固有振動数（ω１）との比であるαは１０以上の値となり、差分変位Δｚは変位ｚ０の９９％以上の値となる。つまり、本実施の形態１では、Ｚ方向加速度検知部における検出振動系の固有振動数（ω０）よりも、角速度検知部における検出振動系の固有振動数（ω１）を大きくすることにより、角速度検知部における検出振動系をＺ方向加速度検知部の参照容量素子として使用する場合でも、容量が固定されている固定容量素子を参照容量素子として使用する場合とほぼ同等の差分変位Δｚを得ることができる。このことは、Ｚ方向加速度検知部の動きからみれば、相対的に止まっているとみることができる角速度検知部に検出振動系を参照容量素子として使用することにより、固定容量素子を使用しなくても、高性能、かつ、小型の複合センサを得ることができることを意味している。以上のことから、角速度検知部の検出容量素子をＺ方向加速度検知部の参照容量素子として使用できることがわかる。
【０１２０】
ここで、重要な点は、式（５）で説明しているように、角速度検知部の固有振動数が、角速度検知部の感度とは相関関係をもっていないため、角速度検知部の感度を低下させることなく、角速度検知部の固有振動数を任意に選択することができる点にある。これにより、角速度検知部における検出振動系をＺ方向加速度検知部の参照容量素子として使用するため、Ｚ方向加速度検知部における検出振動系の固有振動数よりも大きな固有振動数に角速度検知部における検出振動系の固有振動数を設定することができるのである。さらに、この構成の副次的な効果として、角速度検知部における検出振動系の固有振動数を高い周波数とすることにより、角速度検知部が低周波の振動外乱に鈍感となるため、高信頼性の角速度検知部を実現することができる。
【０１２１】
このように、Ｚ方向加速度検知部の応答範囲内である低周波数領域においては、相対的に固定容量とみなせる角速度検知部の検出容量素子を参照容量素子として使用することができる。ところが、角速度検知部における検出振動系の固有振動数が存在する十数ｋＨｚの振動においては、Ｚ方向加速度検知部はほとんど反応せず静止している状態となるが、角速度検知部は共振ピークを持つため、参照容量素子として使用される角速度検知部の検出容量素子に容量変化が発生する。この容量変化は、図８に示すＣＶ変換部ＣＶＵ５に入力され、その後、同期検波部ＷＤＵ５を通って、ローパスフィルタＬＰＦ４でカットされることになる。したがって、この容量変化は、ローパスフィルタＬＰＦ４でカットされるため、Ｚ方向加速度検知部の出力としては現れないことになるが、入力される十数ｋＨｚの高周波振動の大きさによっては、ローパスフィルタＬＰＦ４よりも前に配置されているＡＤ変換部の飽和や零点シフトを発生させるおそれがあり、Ｚ方向加速度検知部の機能が失われるおそれがある。
【０１２２】
このように、角速度検知部の固有振動数（十数ｋＨｚの高周波振動）に起因する高周波ノイズが発生した場合、図８に示す同期検波部ＷＤＵ５に入力される電圧信号の周波数は、（キャリア電圧（Ｖｃａ）の周波数）±（角速度検知部における検出振動系の固有振動数）となる。したがって、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から同期検波部ＷＤＵ５までの信号通過帯域（周波数特性）を、搬送波（キャリア電圧（Ｖｃａ）の周波数）の周波数から角速度検知部における検出振動系の固有振動数を引いた値よりも大きく、かつ、搬送波の周波数と角速度検知部における検出振動系の固有振動数を足した値よりも小さくすることにより、仮に、角速度検知部における検出振動系の固有振動数周辺に振動外乱が生じた場合であっても、信号処理中に高周波ノイズが低減され、安定した低周波数領域の加速度を検出することができる。つまり、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から同期検波部ＷＤＵ５までの構成要素が上述した周波数特性を備えることにより、ＡＤ変換部の飽和や零点シフトの発生を回避することができ、この結果、Ｚ方向加速度検知部の機能を正常に維持することができる。
【０１２３】
図１０は、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から同期検波部ＷＤＵ５までの帯域幅フィルタ特性を示す図である。図１０において、横軸は周波数（Ｈｚ）を示しており、縦軸は通過する信号の大きさ（ゲイン）を示している。図１０に示すように、ＣＶ変換部ＣＶＵ５から同期検波部ＷＤＵ５までの帯域幅フィルタ特性は、搬送波周波数（ｆｃａ）から角速度検知部における検出振動系の固有振動数（ｆｒｇ）を引いた値よりも大きく、かつ、搬送波周波数（ｆｃａ）と角速度検知部における検出振動系の固有振動数（ｆｒｇ）を足した値よりも小さくなっていることがわかる。ここでは、元の信号の大きさ（０ｄＢ）で通過する信号から半分の大きさ（−３ｄＢ）にまで減衰して通過する信号を含めて信号通過帯域としている。
【０１２４】
＜本実施の形態１の変形例＞
本実施の形態１では、Ｚ方向加速度検知部の参照容量素子として、角速度検知部の検出容量素子を使用する例について説明しているが、これに限らず、ＸＹ方向加速度検知部の錘Ｍ３と半導体基板間に形成される容量素子を参照容量素子として使用する場合も、本実施の形態１と同様の効果を得ることができる。特に、ＸＹ方向加速度検知部の錘Ｍ３はＺ方向には変位しにくいため、ＸＹ方向加速度検知部の錘Ｍ３と半導体基板間に形成される容量素子を参照容量素子として使用した場合、この参照容量素子は、完全な固定容量素子となる利点が得られる。なお、本実施の形態１における複合センサでは、１軸（Ｙ方向）の角速度と３軸（ＸＹＺ方向）の加速度を検出できる複合センサを例に挙げているが、３軸の加速度だけを検出できる複合センサにおいても、本実施の形態１の技術的思想を適用することができる。
【０１２５】
＜本実施の形態１における複合センサの製造方法＞
本実施の形態１における複合センサは、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について、図面を参照しながら説明する。具体的に、本実施の形態１では、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図を使用して、複合センサの製造方法について説明する。
【０１２６】
図１１に示すように、例えば、厚さ１μｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ１が形成された半導体基板１Ｓを用意する。このとき、半導体基板１Ｓの厚さは、例えば、数百μｍ程度である。まず、図１１に示すように、絶縁膜ＯＸ１上に、例えば、厚さ１μｍ程度のポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）を形成し、このポリシリコン膜をパターニングすることにより、例えば、検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５などの配線層を形成する。本実施の形態１では、検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５などの配線層をポリシリコン膜から形成しているが、これに限らず、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）などの金属性の導電膜を使用することもできる。
【０１２７】
次に、図１２に示すように、検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５を覆うように酸化シリコン膜（ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜）からなる絶縁膜ＯＸ２を形成する。絶縁膜ＯＸ２は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて、検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５が露出するまで、絶縁膜ＯＸ２を研磨する。続いて、露出している検出電極ＤＴＥ１や検出電極ＤＴＥ５上を含む絶縁膜ＯＸ２上に窒化シリコン膜からなる絶縁膜ＳＮ１を形成する。
【０１２８】
そして、図１３に示すように、絶縁膜ＳＮ１上に、例えば、厚さが１μｍ〜４μｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ３を形成する。この絶縁膜ＯＸ３は、例えば、ＣＶＤ法を使用することより形成することができる。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁膜ＯＸ３と絶縁膜ＳＮ１を貫通して検出電極ＤＴＥ１に達するコンタクトホールＣＮＴ１を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁膜ＯＸ３と絶縁膜ＳＮ１を貫通して検出電極ＤＴＥ５に達するコンタクトホールＣＮＴ２を形成する。
【０１２９】
次に、図１４に示すように、コンタクトホールＣＮＴ１およびコンタクトホールＣＮＴ２を形成した絶縁膜ＯＸ３上にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜は、コンタクトホールＣＮＴ１およびコンタクトホールＣＮＴ２の内部を埋め込むように形成される。そして、絶縁膜ＯＸ３上に形成されている不要なポリシリコン膜を、例えば、ＣＭＰ法を使用して除去することにより、コンタクトホールＣＮＴ１およびコンタクトホールＣＮＴ２内にだけポリシリコン膜を埋め込んで、プラグＰＬＧ１およびプラグＰＬＧ２を形成する。
【０１３０】
続いて、プラグＰＬＧ１およびプラグＰＬＧ２を形成した絶縁膜ＯＸ３上に、例えば、シリコンよりなるデバイス層ＤＬを貼り付ける。このデバイス層ＤＬは、例えば、数十μｍの厚さのシリコンから形成されている。実際には、数十μｍの厚さのシリコンを直接絶縁膜ＯＸ３に貼り付けることは、ハンドリング上、困難であることから、数百μｍの厚さのシリコンを絶縁膜ＯＸ３に貼り付けた後、数十μｍの厚さまで研磨する方法が採用されている。その後、デバイス層ＤＬ上にパッドＰＤ１を形成する。
【０１３１】
次に、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、デバイス層ＤＬを加工する。具体的には、デバイス層ＤＬを加工することにより、例えば、台座部ＰＥＤ１、枠体ＦＲ、錘Ｍ１、支持梁ＳＢ３、錘Ｍ４、台座部ＰＥＤ２などを形成する。このとき、図１５では図示していないが、錘Ｍ１や錘Ｍ４などの比較的大きな面積を有する要素については、犠牲層となる絶縁膜ＯＸ３をエッチングするために要する時間を短縮する観点から、エッチングホールが形成されている。そして、このエッチングホールや、デバイス層ＤＬを加工することにより形成された隙間から、例えば、フッ酸を使用して犠牲層となる絶縁膜ＯＸ３を除去する。このとき、絶縁膜ＯＸ３の下層に形成されている絶縁膜ＳＮ１がエッチングストッパとして機能する。ここで、具体的には、錘Ｍ１、支持梁ＳＢ３、錘Ｍ４などの下層に形成されている絶縁膜ＯＸ３が除去されて、これらの要素と絶縁膜ＳＮ１との間に隙間が形成される。これにより、錘Ｍ１、支持梁ＳＢ３、錘Ｍ４は可動状態となる。一方、台座部ＰＥＤ１、枠体ＦＲ、台座部ＰＥＤ２に下層に形成されている絶縁膜ＯＸ３は残存し、台座部ＰＥＤ１、枠体ＦＲ、台座部ＰＥＤ２は、下層に形成されている絶縁膜ＯＸ３によって半導体基板１Ｓに固定された状態となる。
【０１３２】
続いて、枠体ＦＲ上にカバーＣＯＶを配置して、錘Ｍ１が形成されている空洞部ＣＡＶ１、および、支持梁ＳＢ３と錘Ｍ４が形成されている空洞部ＣＡＶ２を封止する。このとき、カバーＣＯＶは、例えば、ガラスやシリコンを用いることができ、それぞれ、陽極接合や表面活性化接合などの方法によって空洞部ＣＡＶ１や空洞部ＣＡＶ２を気密封止することができる。なお、カバーＣＯＶは、例えば、ガラスフリットや接着材を用いて封止することも可能であり、また、カバーＣＯＶの材料も金属などを用いることもできる。さらに、このカバーＣＯＶには、空洞部ＣＡＶ１および空洞部ＣＡＶ２の圧力を制御する目的で、ガス吸収材（ゲッター）、もしくは、ガス発生材（逆ゲッター）を形成してもよい。以上のようにして、本実施の形態１における複合センサを製造することができる。
【０１３３】
＜本実施の形態１における複合センサの実装構成＞
次に、本実施の形態１における複合センサの実装構成について説明する。図１６は、本実施の形態１における複合センサの実装構成を示す断面図である。図１６に示すように、本実施の形態１における複合センサＣＳ１（半導体チップＣＨＰ１）は、信号処理用の半導体チップＣＨＰ２とともにセラミックパッケージＰＡＣに実装される。具体的には、セラミックパッケージＰＡＣの底面に接着材ＡＤＨ１を介して信号処理用の半導体チップＣＨＰ２が搭載されており、この半導体チップＣＨＰ２上に接着材ＡＤＨ２を介して複合センサＣＳ１が搭載されている。このとき、接着材ＡＤＨ２を導電性接着材から構成することにより、半導体チップＣＨＰ１の電位を固定することができる。そして、複合センサＣＳ１に形成されているパッドＰＤ１と、半導体チップＣＨＰ２に形成されているパッドＰＤ２が、ワイヤＷ１で電気的に接続されている。また、半導体チップＣＨＰ２に形成されているパッドＰＤ２は、セラミックパッケージＰＡＣの内部に形成されているパッドＰＤ３とワイヤＷ２で電気的に接続されている。さらに、セラミックパッケージＰＡＣの内部に形成されているパッドＰＤ３は、配線ＷＬ１を介してセラミックパッケージＰＡＣの外部に形成されている端子ＴＥ１と電気的に接続されている。最後に、複合センサＣＳ１や信号処理用の半導体チップＣＨＰ２が配置されているセラミックパッケージＰＡＣの内部空間は、キャップＣＡＰによって封止されている。以上のようにして、本実施の形態１における複合センサＣＳ１は実装構成されている。
【０１３４】
なお、複合センサＣＳ１や信号処理用の半導体チップＣＨＰ２を入れるパッケージとしては、セラミックパッケージＰＡＣの他に、プラスチックパッケージなどを使用してもよい。つまり、パッケージは、複合センサＣＳ１、信号処理用の半導体チップＣＨＰ２、ワイヤＷ１、ワイヤＷ２などを保護することができ、かつ、外部との信号のやりとりができるものであればどのようなものであってもよい。
【０１３５】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、角速度検知部で使用する第１参照容量素子と、Ｚ方向加速度検知部で使用する第２参照容量素子が、互いに共有される１つの共有参照容量素子であることを特徴とする例について説明する。
【０１３６】
＜本実施の形態２における複合センサの構成＞
図１７は、本実施の形態２における複合センサＣＳ２の構成を示す平面図である。図１７において、本実施の形態２における複合センサＣＳ２は、角速度検知部ＪＡと、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）とを備えている。
【０１３７】
まず、角速度検知ＪＡの構成について説明する。図１７に示すように、角速度検知部ＪＡは、半導体基板１Ｓ上に形成された可動（振動）できる錘（可動部）Ｍ１を有している。そして、角速度検知部ＪＡは、錘Ｍ１を半導体基板１Ｓに対して一定間隔を持って浮いた状態で支持する支持梁ＳＢ１を有し、この支持梁ＳＢ１は、駆動方向（Ｘ方向）と検出方向（Ｚ方向）の両方向に変形（弾性変形）できるように構成されている。すなわち、支持梁ＳＢ１の一端は、錘Ｍ１に接続され、支持梁ＳＢ１の他端は、半導体基板１Ｓに固定されている固定部ＦＸ１と接続されている。
【０１３８】
さらに、角速度検知部ＪＡは、錘Ｍ１との間で容量を形成する駆動電極ＤＲＥ１と駆動電極ＤＲＥ２を有している。つまり、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ１により１つの駆動容量素子が形成され、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ２によりもう１つの駆動容量素子が形成されている。例えば、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ１から構成される駆動容量素子には高周波信号（高周波電圧）が印加されるように構成されており、この高周波信号（高周波電圧）が印加された駆動容量素子には静電引力が発生し、この静電引力によって錘Ｍ１を振動させることができるようになっている。同様に、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ１から構成される駆動容量素子についても同様に構成されている。これにより、錘Ｍ１は駆動振動するようになっている。
【０１３９】
また、角速度検知部ＪＡには、駆動振動している錘Ｍ１の駆動振幅を監視（モニタリング）するためのモニタ電極ＭＥ１およびモニタ電極ＭＥ２を有し、さらに、Ｙ軸方向回りの角速度が印加された場合に、検出方向（Ｚ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ１を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ１とこの錘Ｍ１の下層に形成される検出電極ＤＴＥ１によって検出容量素子が形成されており、検出方向への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。
【０１４０】
ここで、前記実施の形態１の角速度検知部ＪＡは２つの錘を持つ音叉構造として構成されているので、Ｙ軸周りの角速度が印加された場合、静電容量が増加する検出容量素子と、静電容量が減少する検出容量素子が存在している。このため、前記実施の形態１の角速度検知部ＪＡでは、静電容量が増加する検出容量素子と、静電容量が減少する検出容量素子との間の差動検出を行なうことができるので、参照容量素子を使用しなくても高感度のセンシングを実現することができる。これに対し、本実施の形態２の角速度検知部ＪＡは、１つの錘しか持っておらず、音叉構造を構成していない。つまり、本実施の形態２における角速度検知部ＪＡでは、Ｙ軸周りの角速度が印加された場合、静電容量が増減する１つの検出容量素子しか存在しないため、このままでは差動検出することができない。このため、本実施の形態２における角速度検知部ＪＡでは、Ｙ軸周りの角速度印加によるＺ方向（検出方向）への変位を高感度に検出するために参照容量素子が必要となる。
【０１４１】
次に、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の構成について説明する。図１７に示すように、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、半導体基板１Ｓ上に形成された１つの可動できる錘Ｍ４を有している。そして、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、錘Ｍ４を半導体基板１Ｓに対して一定間隔を持って浮いた状態で支持する支持梁ＳＢ３を有し、この支持梁ＳＢ３は、検出方向（Ｚ方向）に変形（弾性変形）できるように構成されている。すなわち、支持梁ＳＢ３の一端は、錘Ｍ４に接続され、支持梁ＳＢ３の他端は、半導体基板１Ｓに固定されている固定部ＦＸ３と接続されている。
【０１４２】
さらに、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、Ｚ方向に加速度が印加された場合に、検出方向（Ｚ軸方向）への変位を検知するための検出電極ＤＴＥ５を有している。すなわち、例えば、錘Ｍ４と、錘Ｍ４の下層に形成されている検出電極ＤＴＥ５によって検出容量素子が形成されており、検出方向（Ｘ軸方向）への変位を検出容量素子の容量変化として捉えることができるように構成されている。
【０１４３】
本実施の形態２におけるＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）は、前記実施の形態１におけるＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）と同じ構成をしている。したがって、本実施の形態２でも、Ｚ方向の加速度が印加された場合、錘Ｍ４のＺ方向への変位を高感度に検出するためには、検出電極ＤＴＥ５とともに、参照容量素子が必要となる。
【０１４４】
そこで、本実施の形態２における複合センサＣＳ２では、半導体基板１Ｓ上に１つの参照容量素子ＲＣを設け、この参照容量素子ＲＣを、角速度検知部ＪＡとＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）で互いに共有している。つまり、本実施の形態２では、角速度検知部ＪＡとＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の両方で参照容量素子が必要となるため、互いに共有できる１つの参照容量素子ＲＣを半導体基板１Ｓ上に形成している。このように本実施の形態２では、角速度検知部ＪＡとＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の両方で１つの参照容量素子ＲＣを共有しているので、複合センサＣＳ２の小型化を図ることができる。
【０１４５】
例えば、角速度検知部ＪＡで使用する参照容量素子と、Ｚ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）で使用する参照容量素子とを別々に形成すると、半導体基板１Ｓ上に２つの参照容量素子を形成する必要があり、複合センサの小型化を図ることができない。これに対し、本実施の形態２のように、角速度検知部ＪＡとＺ方向加速度検知部ＡＣ（Ｚ）の両方で１つの参照容量素子ＲＣを共有するように構成すれば、複合センサＣＳ２の小型化を図ることができるのである。図１７において、このような参照容量素子ＲＣは、上部電極ＲＥ１と下部電極ＲＥ２を有している。
【０１４６】
続いて、上述した参照容量素子ＲＣの断面構造について説明する。図１８は、参照容量素子ＲＣの断面構造を示す図であり、図１７のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１８において、半導体基板１Ｓ上に酸化シリコン膜ＯＸ１が形成されており、この酸化シリコン膜ＯＸ１上に配線ＷＬ２および下部電極ＲＥ２が形成されている。そして、配線ＷＬ２と下部電極ＲＥ２の間の隙間に酸化シリコン膜ＯＸ２が埋め込まれている。続いて、配線ＷＬ２および下部電極ＲＥ２上には窒化シリコン膜ＳＮ１が形成されており、この窒化シリコン膜ＳＮ１上に酸化シリコン膜ＯＸ３が形成されている。そして、この酸化シリコン膜ＯＸ３上に上部電極ＲＥ１が形成されている。この上部電極ＲＥ１と同層で枠体ＦＲ、台座部ＰＥＤ１、台座部ＰＥＤ２が形成されている。上部電極ＲＥ１には、複数のエッチングホールが形成されており、このエッチングホールを介して酸化シリコン膜ＯＸ３の一部が除去されている。さらに、枠体ＦＲ上にカバーＣＯＶが配置されており、上部電極ＲＥ１が形成されている空洞部ＣＡＶが封止されている。
【０１４７】
このように構成されている参照容量素子ＲＣは、上部電極ＲＥ１と下部電極ＲＥ２を有しており、上部電極ＲＥ１は、配線ＷＬ２および台座部ＰＥＤ１を介してパッドＰＤ４と電気的に接続されている。一方、下部電極ＲＥ２は、台座部ＰＥＤ２を介してパッドＰＤ５と電気的に接続されている。そして、参照容量素子ＲＣの容量絶縁膜は、上部電極ＲＥ１と下部電極ＲＥ２の間に形成されている窒化シリコン膜と酸化シリコン膜ＯＸ３から形成されている。
【０１４８】
＜本実施の形態２における複合センサの動作＞
本実施の形態２における複合センサＣＳ２は上記のように構成されており、以下に、このように構成されている複合センサＣＳ２を使用して角速度を検出する動作について、図１９を参照しながら説明する。図１９は、本実施の形態２における複合センサの回路構成を示す回路ブロックである。
【０１４９】
まず、図１９において、錘Ｍ１は、錘Ｍ１の左側に配置されている駆動電極ＤＲＥ１と、錘Ｍ１の右側に配置されている駆動電極ＤＲＥ２によって、Ｘ方向に励振される。具体的に、駆動電極ＤＲＥ１には、駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加され、駆動電極ＤＲＥ２には、駆動信号としてＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄが印加される。一方、錘Ｍ１には、Ｖｃｏｍ＋Ｖｃａが印加されている。したがって、例えば、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ１との間の電位差はＶｂ＋Ｖｄであり、錘Ｍ１と駆動電極ＤＲＥ２との間の電位差はＶｂ−Ｖｄとなる。このとき、駆動電極ＤＲＥ１と錘Ｍ１、駆動電極ＤＲＥ２と錘Ｍ１によって、それぞれ、駆動容量素子が形成され、これらの駆動容量素子に上述した電位差が発生する。これにより、それぞれの駆動容量素子に静電気力が発生し、この静電気力に基づいて、錘Ｍ１が駆動振動する。
【０１５０】
本実施の形態２における角速度検知部では、錘Ｍ１の左側に配置されているモニタ電極ＭＥ１と、錘Ｍ１の右側に配置されているモニタ電極ＭＥ２を使用して駆動振幅ＡＸをモニタリングしている。具体的には、錘Ｍ１とモニタ電極ＭＥ１、錘Ｍ１とモニタ電極ＭＥ２のそれぞれから構成されるモニタ容量素子の静電容量変化を検出することにより、駆動振幅ＡＸをモニタリングしている。
【０１５１】
具体的には、錘Ｍ１には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、モニタ容量素子の静電容量に応じて、モニタ電極ＭＥ１およびモニタ電極ＭＥ２で電荷の移動を発生させる。このモニタ電極ＭＥ１での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ６で第１モニタ用アナログ電圧信号が生成される。同様に、モニタ電極ＭＥ２での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ６で第２モニタ用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ６で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ６において、それぞれ、第１モニタ用デジタル電圧信号と、第２モニタ用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ６から出力された第１モニタ用デジタル電圧信号と第２モニタ用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ６に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ６では、第１モニタ用デジタル電圧信号と第２モニタ用デジタル電圧信号の差分をとって、モニタ用差分電圧信号を出力する。
【０１５２】
錘Ｍ１が駆動振動している場合、すなわち、駆動振幅ＡＸが０でない場合、錘Ｍ１には、キャリア電圧（Ｖｃａ）と駆動電圧（＋Ｖｄや−Ｖｄ）が印加されることになる。したがって、錘Ｍ１が駆動振動している場合、錘Ｍ１の駆動振幅ＡＸに比例して、例えば、モニタ電極ＭＥ１を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が増加し、モニタ電極ＭＥ２を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が減少する変化、あるいは、モニタ電極ＭＥ１を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が減少し、モニタ電極ＭＥ２を構成要素とするモニタ容量素子の静電容量が増加する変化が生じる。このため、ＣＶ変換部ＣＶＵ６で生成された第１モニタ用アナログ電圧信号と第２モニタ用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ６で第１モニタ用アナログ電圧信号を変換した第１モニタ用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ６で第２モニタ用アナログ電圧信号を変換した第２モニタ用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、錘Ｍ１が駆動振動している場合、差動検出部ＤＭＵ６からは、駆動振幅ＡＸに比例したモニタ用差分電圧信号が出力される。
【０１５３】
この差動検出部ＤＭＵ６から出力されたモニタ用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ６で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号に変換（復調）される。このようにして、低周波数の信号に変換された駆動振幅ＡＸは、ＡＧＣ部ＡＧＣに入力されて、予め設定されている目標値と比較される。そして、この比較結果に基づき、ＤＡ変換部ＤＡＵ２を介して、駆動電圧Ｖｄ（−Ｖｄ）の大きさが調整される。このようにして、駆動振幅ＡＸを予め設定した目標値になるようにフィードバック制御を行なうことができる。
【０１５４】
以上は、駆動振幅ＡＸを一定に保持するようなフィードバック制御について説明したが、さらに、本実施の形態２では、錘Ｍ１を駆動振動させる駆動電圧（Ｖｄや−Ｖｄ）の周波数（駆動周波数）も一定になるように制御している。本実施の形態２では、周辺環境の変動に起因する駆動振動系の固有振動数の変動に、駆動周波数を追従させるため、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いたフィードバック制御を行なっている。具体的には、図１９に示すＡＦＣ部ＡＦＣによって、ＡＦＣ（Auto Frequency Control）を実施している。
【０１５５】
次に、錘Ｍ１が駆動振動している状態で、Ｙ軸周りに角速度Ωが印加される場合を考える。Ｙ軸周りに角速度Ωが印加されると、錘Ｍ１には、検出方向（Ｚ方向）にコリオリ力が発生し、コリオリ力が発生すると、印加される角速度に比例した検出方向（Ｚ方向）の振動（検出振幅ｚ）が発生する。この検出方向の振動が発生すると、錘Ｍ１と検出電極ＤＴＥ１からなる検出容量素子の静電容量が変化する。このような検出容量素子の静電容量の変化に応じて、検出電極ＤＴＥ１で電荷の移動を発生させる。この検出電極ＤＴＥ１での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ７で第１検出用アナログ電圧信号が生成される。一方、上部電極ＲＥ１と下部電極ＲＥ２から構成される参照容量素子にもキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加され、上部電極ＲＥ１と下部電極ＲＥ２の間の静電容量に比例した電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ７で第２参照用アナログ電圧信号が生成される。
【０１５６】
そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ７から出力された第１検出用アナログ電圧信号は、ゲイン調整部ＧＡＵ２に入力し、第１検出用アナログ電圧信号の大きさが調整される。その後、第１検出用アナログ電圧信号と第２参照用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ７において、それぞれ、第１検出用デジタル電圧信号と、第２参照用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ７から出力された第１検出用デジタル電圧信号と第２参照用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ７に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ７では、第１検出用デジタル電圧信号と第２参照用デジタル電圧信号の差分をとって、検出用差分電圧信号が出力される。
【０１５７】
この差動検出部ＤＭＵ７から出力された検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ７で、キャリア周波数の信号から、駆動周波数（例えば、数十ｋＨｚ）と信号に変換（復調）され、さらに、駆動周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ５で高周波成分が除去されて、角速度に対応した信号が出力される。このようにして、Ｙ軸周りの角速度を検出することができる。
【０１５８】
続いて、Ｚ方向の加速度を検出する動作について、図１９を参照しながら説明する。まず、図１９において、錘Ｍ４や参照容量素子には、数百ｋＨｚのキャリア電圧（Ｖｃａ）が印加されており、このキャリア電圧（Ｖｃａ）は、検出容量素子の静電容量と参照容量素子の静電容量に応じて、下部電極ＲＥ２や検出電極ＤＴＥ５で電荷の移動を発生させる。検出電極ＤＴＥ５での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ８で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号が生成される。同様に、参照容量素子の下部電極ＲＥ２での電荷の移動により、ＣＶ変換部ＣＶＵ８で第２参照用アナログ電圧信号が生成される。そして、ＣＶ変換部ＣＶＵ８から出力された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号は、ゲイン調整部ＧＡＵ３に入力し、第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号の大きさが調整される。その後、ＣＶ変換部ＣＶＵ８で生成された第２参照用アナログ電圧信号と、ゲイン調整部ＧＡＵ３で大きさを調整された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号は、ＡＤ変換部ＡＤＵ８において、それぞれ、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と、第２参照用デジタル電圧信号に変換される。その後、ＡＤ変換部ＡＤＵ８から出力された第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と第２参照用デジタル電圧信号は、差動検出部ＤＭＵ８に入力して演算される。具体的に、差動検出部ＤＭＵ８では、第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と第２参照用デジタル電圧信号の差分をとって、Ｚ方向検出用差分電圧信号を出力する。
【０１５９】
例えば、＋Ｚ方向に加速度が印加された場合を考える。この場合、錘Ｍ４は＋Ｚ方向に変位するため、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量は減少する一方、下部電極ＲＥ２と上部電極ＲＥ１からなる参照容量素子の参照容量はほとんど変わらない。したがって、検出電極ＤＴＥ５と錘Ｍ４からなる検出容量素子の静電容量と、下部電極ＲＥ２と上部電極ＲＥ１からなる参照容量素子の参照容量は異なることになるため、ＣＶ変換部ＣＶＵ８で生成された第２参照用アナログ電圧信号と、ゲイン調整部ＧＡＵ３から出力された第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号は異なることになる。そして、ＡＤ変換部ＡＤＵ８で第１Ｚ方向検出用アナログ電圧信号を変換した第１Ｚ方向検出用デジタル電圧信号と、ＡＤ変換部ＡＤＵ８で第２参照用アナログ電圧信号を変換した第２参照用デジタル電圧信号も異なることになる。したがって、例えば、＋Ｚ方向に加速度が印加された場合、差動検出部ＤＭＵ８からは、加速度の大きさに比例したＺ方向検出用差分電圧信号が出力される。
【０１６０】
この差動検出部ＤＭＵ８から出力されたＺ方向検出用差分電圧信号は、同期検波部ＷＤＵ８で、キャリア周波数の信号から、低周波数（ＤＣ〜数百Ｈｚ）の信号（Ｚ方向検出用復調電圧信号）に変換（復調）される。このようにして変換された低周波数の信号は、ローパスフィルタＬＰＦ６で高周波成分が除去されて、Ｚ方向の加速度に対応した信号が出力される。このようにして、Ｚ方向の加速度を検出することができる。
【０１６１】
本実施の形態２における複合センサでは、角速度検知部とＺ方向加速度検知部が同じ参照容量素子を参照しているため、角速度検知部とＺ方向加速度検知部のそれぞれで別の参照容量素子を参照する場合に比べて、複合センサの小型化を図ることができる。さらに、本実施の形態２では、角速度検知部の信号処理部と、Ｚ方向加速度検知部の信号処理部に、それぞれゲイン調整部を設けている。これにより、角速度検知部における検出容量素子の初期容量と参照容量素子の参照容量とのアンバランスを調整することができる。同様に、Ｚ方向加速度検知部における検出容量素子の初期容量と参照容量素子の参照容量とのアンバランスを調整することができる。したがって、複合センサの初期零点オフセットを個別に調整することができる効果が得られる。
【０１６２】
以上、本発明者によってなされた発明をその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言うまでもない。
【０１６３】
例えば、加速度検知部と圧力検知部が一体化されている複合センサにおいても、加速度検知部と圧力検知部で互いに参照容量素子を共有することができる。また、角速度検知部と圧力検知部が一体化された複合センサにおいても、圧力検知部の参照容量素子として、角速度検知部の検出容量素子を使用することができる。それ以外の複合センサにおいても、互いに固有振動数が異なる検知部どうしであれば、お互いを参照容量素子として使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
本発明は、自動車やロボットなどの姿勢検知、デジタルカメラの手ぶれ補正、ナビゲーションシステムの姿勢検知や方向検知、ゲーム機の姿勢検知用センサなどの分野に幅広く利用することができる。特に、移動体での使用や、周辺にモータ、バルブ、スピーカなどの振動発生源がある場合にその威力を発揮することが期待できる。
【符号の説明】
【０１６５】
１Ｓ  半導体基板
ＡＣ  加速度検知部
ＡＣ（ＸＹ）  ＸＹ方向加速度検知部
ＡＣ（Ｚ）  Ｚ方向加速度検知部
ＡＤＨ１  接着材
ＡＤＨ２  接着材
ＡＤＵ１  ＡＤ変換部
ＡＤＵ２  ＡＤ変換部
ＡＤＵ３  ＡＤ変換部
ＡＤＵ４  ＡＤ変換部
ＡＤＵ５  ＡＤ変換部
ＡＤＵ６  ＡＤ変換部
ＡＤＵ７  ＡＤ変換部
ＡＤＵ８  ＡＤ変換部
ＡＦＣ部  ＡＦＣ
ＡＧＣ部  ＡＧＣ
ＣＡＰ  キャップ
ＣＡＶ  空洞部
ＣＡＶ１  空洞部
ＣＡＶ２  空洞部
ＣＨＰ１  半導体チップ
ＣＨＰ２  半導体チップ
ＣＮＴ１  コンタクトホール
ＣＮＴ２  コンタクトホール
ＣＯＶ  カバー
ＣＳ１  複合センサ
ＣＳ２  複合センサ
ＣＶＵ１  ＣＶ変換部
ＣＶＵ２  ＣＶ変換部
ＣＶＵ３  ＣＶ変換部
ＣＶＵ４  ＣＶ変換部
ＣＶＵ５  ＣＶ変換部
ＣＶＵ６  ＣＶ変換部
ＣＶＵ７  ＣＶ変換部
ＣＶＵ８  ＣＶ変換部
ＤＡＵ１  ＤＡ変換部
ＤＡＵ２  ＤＡ変換部
ＤＬ  デバイス層
ＤＭＵ１  差動検出部
ＤＭＵ２  差動検出部
ＤＭＵ３  差動検出部
ＤＭＵ４  差動検出部
ＤＭＵ５  差動検出部
ＤＭＵ６  差動検出部
ＤＭＵ７  差動検出部
ＤＭＵ８  差動検出部
ＤＲＥ１  駆動電極
ＤＲＥ２  駆動電極
ＤＴＥ１  検出電極
ＤＴＥ２  検出電極
ＤＴＥ３  検出電極
ＤＴＥ４  検出電極
ＤＴＥ５  検出電極
ＥＬ１  電極
ＥＬ２  電極
ＦＲ  枠体
ＦＸ１  固定部
ＦＸ２  固定部
ＦＸ３  固定部
ＧＡＵ１  ゲイン調整部
ＧＡＵ２  ゲイン調整部
ＧＡＵ３  ゲイン調整部
ＪＡ  角速度検知部
ＬＢ  リンク梁
ＬＰＦ１  ローパスフィルタ
ＬＰＦ２  ローパスフィルタ
ＬＰＦ３  ローパスフィルタ
ＬＰＦ４  ローパスフィルタ
Ｍ１  錘
Ｍ２  錘
Ｍ３  錘
Ｍ４  錘
ＭＥ１  モニタ電極
ＭＥ２  モニタ電極
ＯＸ１  絶縁膜
ＯＸ２  絶縁膜
ＯＸ３  絶縁膜
ＰＡＣ  セラミックパッケージ
ＰＤ１  パッド
ＰＤ２  パッド
ＰＤ３  パッド
ＰＤ４  パッド
ＰＤ５  パッド
ＰＥＤ１  台座部
ＰＥＤ２  台座部
ＰＬＧ１  プラグ
ＰＬＧ２  プラグ
ＲＣ  参照容量素子
ＲＥ１  上部電極
ＲＥ２  下部電極
ＳＢ１  支持梁
ＳＢ２  支持梁
ＳＢ３  支持梁
ＳＮ１  絶縁膜
ＴＥ１  端子
Ｗ１  ワイヤ
Ｗ２  ワイヤ
ＷＤＵ１  同期検波部
ＷＤＵ２  同期検波部
ＷＤＵ３  同期検波部
ＷＤＵ４  同期検波部
ＷＤＵ５  同期検波部
ＷＤＵ６  同期検波部
ＷＤＵ７  同期検波部
ＷＤＵ８  同期検波部
ＷＬ１  配線
ＷＬ２  配線
【図１】
0005444199.tif 000002
【図２】
0005444199.tif 000003
【図３】
0005444199.tif 000004
【図４】
0005444199.tif 000005
【図５】
0005444199.tif 000006
【図６】
0005444199.tif 000007
【図７】
0005444199.tif 000008
【図８】
0005444199.tif 000009
【図９】
0005444199.tif 000010
【図１０】
0005444199.tif 000011
【図１１】
0005444199.tif 000012
【図１２】
0005444199.tif 000013
【図１３】
0005444199.tif 000014
【図１４】
0005444199.tif 000015
【図１５】
0005444199.tif 000016
【図１６】
0005444199.tif 000017
【図１７】
0005444199.tif 000018
【図１８】
0005444199.tif 000019
【図１９】
0005444199.tif 000020