(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた検出電極と、
前記基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、
前記検出電極に対して前記ねじれ軸線を中心に回転可能に前記ねじれ梁に支持された検出プレートと、
平面視において前記ねじれ軸線からずれた位置において前記検出プレートに支持されたリンク梁と、
前記基板に対向する一方面と前記一方面とは反対側の他方面とを有し、かつ前記一方面と前記他方面とが対向する方向に変位可能に前記リンク梁に支持された慣性質量体とを備え、
前記慣性質量体は、前記方向に前記慣性質量体を貫通するように設けられた複数の第１の貫通孔を含み、
前記検出プレートは、前記方向に前記検出プレートを貫通するように設けられた複数の第２の貫通孔を含み、
前記第１の貫通孔は、前記第２の貫通孔より大きい開口面積を有している、加速度センサ。
【請求項２】
前記第１の貫通孔は、前記他方面側から前記一方面側に向かって開口面積が大きくなるように設けられたテーパ形状を有している、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記基板は、前記慣性質量体と対向する部分に溝および貫通孔の少なくともいずれかを有している、請求項１または２のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記慣性質量体と対向するように前記基板に支持され、前記慣性質量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１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記検出プレートは、第１の検出プレートおよび第２の検出プレートを含み、
前記第１および第２の検出プレートは、前記ねじれ軸線方向に並んで配置され、かつそれぞれの前記ねじれ梁と前記リンク梁との間の寸法が互いに等しくなるように構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関し、特に慣性質量体を備えた加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板に対して垂直方向の加速度を検出する方法として、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサの一例がたとえば国際公開第２０１０／０５５７１６号（特許文献１）に記載されている。この加速度センサでは、基板にねじれ梁を介して回転可能に検出フレーム（検出プレート）が支持されている。検出フレームにリンク梁を介して基板の厚み方向に変位可能に慣性質量体が支持されている。検出フレームと対向するように基板上に検出電極が形成されている。
【０００３】
この加速度センサでは、基板に対して垂直方向に加速度が加えられると、慣性質量体が基板に対して垂直方向に変位する。この慣性質量体の変位がリンク梁を介して検出フレームに伝えられることによって、ねじれ梁を中心として検出フレームが回転する。この回転によって検出フレームと検出電極との距離が変化することで、検出フレームと検出電極との間の静電容量が変化する。この際、静電容量が容量−電圧変換回路によって加速度に比例する電圧に変換されることで加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５５７１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の加速度センサでは、慣性質量体が基板に向かって変位すると、慣性質量体と基板との間にはエアーによる抗力が発生する。このエアーによる抗力は、エアーダンピングによるものであり、スクイズフィルムダンピング効果と呼ばれる。このエアーによる抗力は、慣性質量体が基板側に変位する場合に発生し、慣性質量体が基板と反対側に変位する場合には発生しない。
【０００６】
ここで慣性質量体が基板側に変位する場合の加速度センサの出力をプラス側出力とし、慣性質量体が基板と反対側に変位する場合の加速度センサの出力をマイナス側出力とすると、上記のエアーダンピングはプラス側出力にだけ作用する。そのため、このエアーダンピングによって、加速度センサのプラス側出力とマイナス側出力との感度が異なるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、エアーダンピングを抑制することで慣性質量体が基板側に変位する場合と慣性質量体が基板と反対側に変位する場合との感度差を抑制することによって高精度の加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の加速度センサは、基板と、基板上に設けられた検出電極と、基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、検出電極に対してねじれ軸線を中心に回転可能にねじれ梁に支持された検出プレートと、平面視においてねじれ軸線からずれた位置において検出プレートに支持されたリンク梁と、基板に対向する一方面と一方面とは反対側の他方面とを有し、かつ一方面と他方面とが対向する方向に変位可能にリンク梁に支持された慣性質量体とを備えている。慣性質量体は、該方向に慣性質量体を貫通するように設けられた複数の第１の貫通孔を含んでいる。検出プレートは、該方向に検出プレートを貫通するように設けられた複数の第２の貫通孔を含んでいる。第１の貫通孔は、第２の貫通孔より大きい開口面積を有している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の加速度センサは、慣性質量体の第１の貫通孔は、検出プレートの第２の貫通孔より大きい開口面積を有しているため、慣性質量体が基板側に変位すると、一方面から他方面に第１の貫通孔を通って慣性質量体と基板との間のエアーが抜ける。したがって、慣性質量体と基板との間のエアーの閉じ込めによるダンピング効果を抑制することができる。そのため、スクイズフィルムダンピング効果を抑制することができる。このため、慣性質量体が基板側に変位する場合と慣性質量体が基板と反対側に変位する場合との加速度センサの感度差を抑制することができる。これにより、高精度の加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの概略平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における加速度センサの基板と反対側に垂直方向に加速度が加えられた際の様子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。
【図４】本発明の実施の形態１における加速度センサの基板と反対側に垂直方向に加速度が加えられた際の様子を示す概略断面図であって、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面に対応した図である。
【図５】本発明の実施の形態１における加速度センサの検出プレートと検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。
【図６】本発明の実施の形態１における加速度センサの基板側に垂直方向に加速度が加えられた際の様子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。
【図７】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工程を示す概略的な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図８】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工程を示す概略的な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図９】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工程を示す概略的な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１０】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４工程を示す概略的な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１１】比較例の加速度センサの概略平面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図１３】比較例の加速度センサの入力加速度とセンサ出力との関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態１における加速度センサの入力加速度とセンサ出力との関係を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における加速度センサの概略平面図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う概略断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１８】本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１９】本発明の実施の形態２における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２０】本発明の実施の形態３における加速度センサの概略平面図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う概略断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態３における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２３】本発明の実施の形態３における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２４】本発明の実施の形態３における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２５】本発明の実施の形態３における加速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２６】本発明の実施の形態３における加速度センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図２７】本発明の実施の形態３における加速度センサの変形例の断面図であり、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面に対応した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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）
最初に本発明の実施の形態１の加速度センサの構成について説明する。
【００１２】
適宜説明の便宜のため、座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入されている。たとえば図１においては、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。Ｚ軸の方向は、本実施の形態の加速度センサが測定対象とする加速度方向に一致する。
【００１３】
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、基板１と、第１および第２の加速度検出部を有している。なお、加速度センサはこの構成に限定されず、加速度検出部は単数であってもよく、また３つ以上の複数であってよい。
【００１４】
基板１は、たとえばシリコン基板が適用され得る。第１および第２の加速度検出部はそれぞれ、検出電極２と、ねじれ梁３と、検出プレート４と、リンク梁５と、慣性質量体６、アクチュエーション電極７と、アンカー８とを主に有している。検出電極２、ねじれ梁３、検出プレート４、リンク梁５、慣性質量体６、アクチュエーション電極７の材質としては、多結晶シリコン（ポリシリコン）膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。
【００１５】
第１の加速度検出部は、第１の検出電極２１と、第１のねじれ梁３１と、第１の検出プレート４１と、第１のリンク梁５１と、慣性質量体６とを有している。第１の検出電極２１は、第１の検出プレート４１と対向するように基板１上に絶縁膜１１を介して設けられている。なお、絶縁膜１１としては、低応力の窒化シリコン膜およびシリコン酸化膜が好適である。第１の検出電極２１は基板１に対する第１の検出プレート４１の角度を静電容量により検出可能に設けられている。
【００１６】
第１のねじれ梁３１は、Ｙ軸に沿った第１のねじれ軸線Ｔ１を中心としてねじれるように、基板１にアンカー８１により支持されている。第１の検出プレート４１は、第１の検出電極２１に対して第１のねじれ軸線Ｔ１を中心に回転可能に第１のねじれ梁３１に支持されている。また、第１の検出プレート４１は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００１７】
第１のリンク梁５１は、平面視において第１のねじれ軸線Ｔ１からずれた軸線上の位置において第１の検出プレート４１に支持されている。さらに具体的には、第１のリンク梁５１は、第１のねじれ軸線Ｔ１と交差する方向に沿って第１の検出プレート４１の一方端部側にオフセットｅ１だけ平行移動された軸Ｌ１上の位置において、第１の検出プレート４１に支持されている。すなわち、オフセットｅ１の絶対値は第１のねじれ軸線Ｔ１と第１のリンク梁５１の中心に位置する軸Ｌ１との間の寸法である。オフセットｅ１の向きは第１のねじれ軸線Ｔ１と交差して第１のねじれ軸線Ｔ１から軸Ｌ１へ向かう方向である。
【００１８】
慣性質量体６は、基板１に対向する一方面６ａと一方面６ａとは反対側の他方面６ｂとを有している。慣性質量体６は、一方面６ａと他方面６ｂとが対向する方向（基板１の厚み方向）に変位可能に第１のリンク梁５１に支持されている。慣性質量体６は、第１のリンク梁５１を介して第１の検出プレート４１に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００１９】
第２の加速度検出部は、第１の加速度検出部と同様の構成を有している。つまり、第２の加速度検出部は、第２の検出電極２２と、第２のねじれ梁３２と、第２の検出プレート４２と、第２のリンク梁５２と、慣性質量体６とを有している。第２の検出電極２２は、第２の検出プレート４２と対向するように基板１上に絶縁膜１１を介して設けられている。第２の検出電極２２は基板１に対する第２の検出プレート４２の角度を静電容量により検出可能に設けられている。
【００２０】
第２のねじれ梁３２は、Ｙ軸に沿った第２のねじれ軸線Ｔ２を中心としてねじれるように、基板１にアンカー８２により支持されている。第２の検出プレート４２は、第２の検出電極２２に対して第２のねじれ軸線Ｔ２を中心に回転可能に第２のねじれ梁３２に支持されている。また、第２の検出プレート４２は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００２１】
第２のリンク梁５２は、平面視において第２のねじれ軸線Ｔ２からずれた軸線上の位置において第２の検出プレート４２に支持されている。さらに具体的には、第２のリンク梁５２は、上記の第１のリンク梁５１の移動の方向と逆方向すなわちオフセットｅ１と逆方向のオフセットｅ２だけ平行移動された軸Ｌ２上の位置において、第２の検出プレート４２に支持されている。すなわち、オフセットｅ２の絶対値は第２のねじれ軸線Ｔ２と第２のリンク梁５２の中心に位置する軸Ｌ２との間の寸法である。オフセットｅ２の向きはオフセットｅ１と逆方向である。
【００２２】
慣性質量体６は、一方面６ａと他方面６ｂとが対向する方向（基板１の厚み方向）に変位可能に第２のリンク梁５２に支持されている。慣性質量体６は、第２のリンク梁５２を介して第２の検出プレート４２に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。なお、第１および第２の加速度検出部は慣性質量体６をそれぞれ有しているが、慣性質量体６は一体に形成されている。
【００２３】
慣性質量体６は、一方面６ａと他方面６ｂとが対向する方向に慣性質量体６を貫通するように設けられた複数の第１の貫通孔Ｈ１を含んでいる。また、第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２は、一方面６ａと他方面６ｂとが対向する方向に第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２を貫通するように設けられた複数の第２の貫通孔Ｈ２を含んでいる。第１の貫通孔Ｈ１は、第２の貫通孔Ｈ２より大きい開口面積を有している。
【００２４】
第１の貫通孔Ｈ１の開口形状はたとえば正方形に構成されていてもよい。また第２の貫通孔Ｈ２の開口形状もたとえば正方形に構成されていてもよい。第１の貫通孔Ｈ１の開口形状の一辺ａは、たとえば２０μｍ以上４０μｍ以下であり、特に３５μｍが好ましい。第２の貫通孔Ｈ２の開口形状の一辺ａの寸法は、たとえば３μｍ以上５μｍ以下であり、特に５μｍが好ましい。
【００２５】
第２の貫通孔Ｈ２の間隔ｂの寸法は、たとえば１５μｍ以上３５μｍ以下であり、特に２０μｍが好ましい。第２の貫通孔Ｈ２の間隔ｂの寸法は、隣り合う第２の貫通孔Ｈ２の中心同士の間隔の寸法である。また第１の貫通孔Ｈ１の格子幅ｃの寸法は、たとえば５μｍ以上２０μｍ以下であり、特に１０μｍが好ましい。
【００２６】
慣性質量体６の上面の面積（第１の貫通孔Ｈ１が形成されていない場合の面積）に対する第１の貫通孔Ｈ１の開口面積の比率は、最大で２２％であり、最小で１％であり、特に１３％が好ましい。また、検出プレート４の上面の面積（第２の貫通孔Ｈ２が形成されていない場合の面積）に対する第２の貫通孔Ｈ２の開口面積の比率は、最大で７１％であり、最小で１６％であり、特に４９％が好ましい。なお、第１の貫通孔Ｈ１および第２の貫通孔Ｈ２の形状は、正方形に限定されず、矩形であってもよく、また円形であってもよい。
【００２７】
第１の加速度検出部と第２の加速度検出部は、第１の加速度検出部の第１のねじれ軸線Ｔ１方向および第２のねじれ軸線Ｔ２方向に並んで配置されている。さらに具体的には、第１の加速度検出部の第１の検出プレート４１と第２の加速度検出部の第２の検出プレート４２の長辺同士が対向するように配置されている。第１の検出プレート４１と第２の検出プレート４２とは、第１のねじれ軸線Ｔ１方向および第２のねじれ軸線Ｔ２方向に並んで配置されている。
【００２８】
第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２は、第１のねじれ梁３１と第１のリンク梁５１との間の寸法と、第２のねじれ梁３２と第２のリンク梁５２との間の寸法とが互いに等しくなるように構成されていることが好ましい。つまり、第１のねじれ梁３１および第２のねじれ梁３２と、第１のリンク梁５１および第２のリンク梁５２とは、オフセットｅ１およびオフセットｅ２の絶対値が等量となるように配置されていることが好ましい。すなわち、オフセットｅ１およびオフセットｅ２の寸法が互いに等しくなるように配置されていることが好ましい。
【００２９】
第１のねじれ軸線Ｔ１および第２のねじれ軸線Ｔ２が互いに平行に配置されていることが好ましい。さらに第１のねじれ軸線Ｔ１および第２のねじれ軸線Ｔ２が互いに一直線上に配置されていることが好ましい。また、第１のねじれ軸線Ｔ１および第２のねじれ軸線Ｔ２は、平面視における慣性質量体６の重心Ｇを通るように配置されていることが好ましい。さらに好ましくは、加速度センサの平面レイアウトは、平面視における慣性質量体６の重心Ｇに対して１８０度の回転対称な構造を有していることが好ましい。
【００３０】
また、アクチュエーション電極７が、慣性質量体６と対向するように絶縁膜１１を介して基板１に支持されている。アクチュエーション電極７は、慣性質量体６との間に電気的に静電引力を発生させるように構成されている。アクチュエーション電極７は慣性質量体６を静電気力により変位させることができるように構成されている。
【００３１】
続いて、上記の検出電極２の詳細な構成と、この検出電極２により第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２のそれぞれの基板１に対する角度を検出することができる原理について説明する。
【００３２】
検出電極２は第１の検出プレート４１と対向する第１の検出電極２１を有している。第１の検出電極２１は、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように第１一方検出電極２１ａと第１他方検出電極２１ｂとを有している。第１一方検出電極２１ａは加速度センサのＸ軸負側（図１左側）に位置しており、第１他方検出電極２１ｂは加速度センサのＸ軸正側（図１右側）に位置している。第１一方検出電極２１ａと第１他方検出電極２１ｂとは、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように設けられている。
【００３３】
第１の検出プレート４１が第１のねじれ軸線Ｔ１周りに回転する場合、第１の検出プレート４１の裏面（第１の検出電極２１と対向する面）は第１一方検出電極２１ａおよび第１他方検出電極２１ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第１の検出プレート４１が第１一方検出電極２１ａと対向することで生じている静電容量と、第１の検出プレート４１が第１他方検出電極２１ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第１の検出プレート４１の基板１に対する角度を検出することができる。
【００３４】
また検出電極２は第２の検出プレート４２と対向する第２の検出電極２２を有している。第２の検出電極２２は、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように第２一方検出電極２２ａと第２他方検出電極２２ｂとを有している。第２一方検出電極２２ａは加速度センサのＸ軸正側（図１右側）に位置しており、第２他方検出電極２２ｂは加速度センサのＸ軸負側（図１左側）に位置している。第２一方検出電極２２ａと第２他方検出電極２２ｂとは、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように設けられている。
【００３５】
第２の検出プレート４２が第２のねじれ軸線Ｔ２周りに回転する場合、第２の検出プレート４２の裏面（第２の検出電極２２と対向する面）は第２一方検出電極２２ａおよび第２他方検出電極２２ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第２の検出プレート４２が第２一方検出電極２２ａと対向することで生じている静電容量と、第２の検出プレート４２が第２他方検出電極２２ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第２の検出プレート４２の基板１に対する角度を検出することができる。
【００３６】
続いて、本実施の形態の加速度センサの加速度の測定原理および動作について説明する。
【００３７】
図３および図４を参照して、基板１の厚さ方向（基板１の膜厚方向）に沿って上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ＡＺが加速度センサに加わると、慣性質量体６は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体６と連結されている第１のリンク梁５１および第２のリンク梁５２（図１参照）も、慣性質量体６と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
【００３８】
第１のリンク梁５１の変位により、第１の検出プレート４１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ１は、第１ねじれ軸線Ｔｌからオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１の検出プレート４１にはトルクが作用する。この結果、第１の検出プレート４１が回転変位する。
【００３９】
また、第２のリンク梁５２の変位により、第２の検出プレート４２は、軸Ｌ２の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ２は、第２のねじれ軸線Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２の検出プレート４２にはトルクが作用する。この結果、第２の検出プレート４２が回転変位する。
【００４０】
オフセットｅ１とオフセットｅ２とは逆向きであるため、第１の検出プレート４１と第２の検出プレート４２とは逆向きに回転する。すなわち、第１の検出プレート４１の上面が加速度センサの一方端部側（図３の左側）を向き、第２の検出プレート４２の上面が加速度センサの他方端部側（図４の右側）を向くように、第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２は回転変位する。
【００４１】
この回転変位にともない、第１の検出プレート４１と第１一方検出電極２１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ１Ａが増大し、第１の検出プレート４１と第１他方検出電極２１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ１Ｂが減少する。また第２の検出プレート４２と第２一方検出電極２２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ２Ａが増大し、第２の検出プレート４２と第２他方検出電極２２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ２Ｂが減少する。
【００４２】
図５を参照して、コンデンサＣ１ａとコンデンサＣ２ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとコンデンサＣ２ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、式（１）により下記の値となる。
【００４３】
【数１】
0005535124.tif 000002
【００４４】
電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、Ｚ軸方向の加速度ＡＺを検知することができる。加速度が０、すなわち、変位がない場合はＣ１Ａ＝Ｃ２Ａ＝Ｃ１Ｂ＝Ｃ２Ｂであるので、出力電位ＶoutはＶout＝Ｖd/2で表わされる。
【００４５】
図６を参照して、基板１の膜厚方向に沿って下方向、すなわちＺ軸の負方向（図中下方向）の加速度ＡＺが加速度センサに加わると、慣性質量体６は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の正方向（図中上方向）に浮き上がるように変位する。慣性質量体６と連結されている第１のリンク梁５１および第２のリンク梁５２（図１参照）も、慣性質量体６と一体となってＺ軸の正方向（図中上方向）に変位する。
【００４６】
第１のリンク梁５１の変位により、第１の検出プレート４１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸の正方向（図中上方向）への力を受ける。この結果、上記の基板１の膜厚方向に沿って上方向に加速度ＡＺが加わった場合と逆方向に第１の検出プレート４１が回転変位する。なお、図示しない第２の検出プレート４２も同様に上記の基板１の膜厚方向に沿って上方向に加速度ＡＺが加わった場合と逆方向に回転変位する。
【００４７】
また、本実施の形態の加速度センサでは、アクチュエーション電極７と慣性質量体６との間に電圧を印加することにより、慣性質量体６を基板１の方に引っ張る静電気力を発生することができる。すなわち慣性質量体６を基板１の膜厚方向に静電駆動することができる。この静電駆動により、加速度センサに基板１の膜厚方向の加速度ＡＺが加わった場合の慣性質量体６の変位と同様の変位を発生させることができる。よって、実際に加速度センサに加速度ＡＺを加えずにセンサが故障しているかどうか自己診断する機能を、加速度センサに持たせることができる。
【００４８】
続いて、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。
以下では、慣性質量体６、第１のねじれ梁３１、第１の検出プレート４１、第１のリンク梁５１およびアンカー８１の形成について説明するが、第２のねじれ梁３２、第２の検出プレート４２、第２のリンク梁５２およびアンカー８２についても同様に形成される。
【００４９】
図７を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁膜１１が堆積される。絶縁膜１１としては、低応力の窒化シリコン膜およびシリコン酸化膜などが適している。この絶縁膜１１の上に、ＬＰＣＶＤ法により、たとえばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、第１の検出電極２１およびアクチュエーション電極７が形成される。
【００５０】
図８を参照して、その後、基板１上全体にＰＳＧ(Phosphosilicate Glass)などポリシリコンと選択的に除去可能な薄膜による犠牲層膜１０１が堆積される。続いて、アンカー８１（図１）が形成される部分の犠牲層膜１０１が選択的にエッチングされる。
【００５１】
図９を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いて、その表面にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理が施され、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。
【００５２】
図１０を参照して、ポリシリコン膜１０２の犠牲層膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、第１のねじれ梁３１（図１）と、第１の検出プレート４１と、第１のリンク梁５１（図１）と、慣性質量体６と、アンカー８１とが一括形成される。この際、第１の貫通孔Ｈ１および第２の貫通孔Ｈ２も形成される。第１の貫通孔Ｈ１および第２の貫通孔Ｈ２は、エッチングホールとしての役割も有している。その後、エッチングのための薬液が慣性質量体６および第１の検出プレート４１の下方に浸透される。これにより犠牲層膜１０１がエッチングにより除去され、図２に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。
【００５３】
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について比較例と比較して説明する。
図１１および図１２を参照して、比較例の加速度センサでは、エッチングホールとして、慣性質量体６に第１の貫通孔Ｈ１が形成されており、検出プレート４に第２の貫通孔Ｈ２が形成されている。比較例の加速度センサでは、第１の貫通孔Ｈ１の開口面積と第２の貫通孔Ｈ２の開口面積とは同じ大きさに形成されている。
【００５４】
比較例の加速度センサに、基板１の膜厚方向に沿って上方向の加速度ＡＺが加わると、慣性質量体６は慣性力により初期位置からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。この際、比較例の加速度センサでは、第１の貫通孔Ｈ１から慣性質量体６と基板１との間のエアーが十分に抜けないため、エアーの閉じ込めによりエアーダンピングが発生する。
【００５５】
このため、図１３を参照して、慣性質量体６が基板１側に変位する場合の加速度センサの出力をプラス側出力とし、慣性質量体６が基板１と反対側に変位する場合の加速度センサの出力をマイナス側出力とした場合に、上記のエアーダンピングによって、プラス側出力のセンサ出力が入力加速度に比べて大きく異なる。つまり、プラス側出力のセンサ出力が入力加速度に比べて小さくなる。そのため、加速度センサのプラス側出力とマイナス側出力との感度が異なる。なお、図１３では、縦軸は加速度を示し、横軸は時間を示している。縦軸は上方がプラス（＋）側出力を示し下方がマイナス（−）側出力を示している。
【００５６】
比較例の加速度センサでは、特に加速度１０Ｇ（重力加速度）以下の低加速度を測定対象とする場合、５０Ｇ以上の高加速度を測定対象とする場合と比較して慣性質量体６に加わる慣性力が低くなる。そのため、加速度を測定するために、リンク梁５の剛性が弱く設定され、リンク梁５とねじれ梁３との距離が大きく設定される。これにより、必然的に慣性質量体６のＺ軸方向の変位量は高加速度を測定対象とする場合の変位量と比較して大きくなる。このため、加速度１０Ｇ（重力加速度）以下を測定対象とする場合、慣性質量体６と基板１との間のエアーによる抗力が強くなる。
【００５７】
それに対して、図３を参照して、本実施の形態の加速度センサも比較例の加速度センサと同様に、基板１の膜厚方向に沿って上方向の加速度ＡＺが加わると、慣性質量体６は慣性力により初期位置からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。しかし、本実施の形態の加速度センサでは、慣性質量体６の第１の貫通孔Ｈ１は、検出プレート４の第２の貫通孔Ｈ２より大きい開口面積を有しているため、慣性質量体６が基板１側に変位すると、一方面６ａから他方面６ｂに第１の貫通孔Ｈ１を通って慣性質量体６と基板１との間のエアーが抜ける。したがって、慣性質量体６と基板１との間のエアーの閉じ込めによるダンピング効果を抑制することができる。そのため、スクイズフィルムダンピング効果を抑制することができる。
【００５８】
このため、図１４を参照して、エアーダンピングによって、加速度センサのプラス側出力が入力加速度に比べて大きく異なることが抑制される。そのため、加速度センサのプラス側出力とマイナス側出力との感度が異なることを抑制できる。このため、慣性質量体６が基板１側に変位する場合と慣性質量体６が基板１と反対側に変位する場合との加速度センサの感度差を抑制することができる。これにより、高精度の加速度センサを提供することができる。さらに、加速度１０Ｇ（重力加速度）以下を測定対象とする場合においても、高精度に加速度を測定することができる。
【００５９】
また、本実施の形態の加速度センサによれば、慣性質量体６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７を備えている。そのため、アクチュエーション電極７で慣性質量体６を基板１の膜厚方向に静電駆動することによって実際に加速度センサに加速度ＡＺを加えずにセンサが故障しているかどうか自己診断することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の加速度センサによれば、第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２は、ねじれ軸線Ｔ方向に並んで配置され、かつそれぞれのねじれ梁３１，３２とリンク梁５１，５２との間の寸法が互いに等しくなるように構成されている。このため、第１の検出プレート４１および第２の検出プレート４２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。よって、図５に示すコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａおよびＣ２ｂの静電容量変化がより精度よく行なわれる。このため、加速度センサの誤差をさらに抑制することができる。
【００６１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の加速度センサは、実施の形態１の加速度センサと比較して、第１の貫通孔の形状が主に異なっている。
【００６２】
図１５および図１６を参照して、慣性質量体６の他方面６ｂにおいて、第１の貫通孔Ｈ１は、第２の貫通孔Ｈ２より大きい開口面積を有している。第１の貫通孔Ｈ１は、慣性質量体６の他方面６ｂ側から一方面６ａ側に向かって開口面積が大きくなるように設けられたテーパ形状を有している。第１の貫通孔Ｈ１の一方面６ａ側の開口面積は、第１の貫通孔Ｈ１の他方面６ｂ側の開口面積より大きくなるように形成されている。
【００６３】
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９を参照して、基板１上に堆積されたポリシリコン膜１０２の表面がＣＭＰ処理により平坦化される工程までは、本実施の形態の加速度センサは実施の形態１と同様に製造される。
【００６４】
図１７を参照して、ポリシリコン膜１０２の犠牲層膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、第１のねじれ梁３１（図１）と、第１の検出プレート４１と、第１のリンク梁５１（図１）と、慣性質量体６と、アンカー８１とが一括形成される。この際、第２の貫通孔Ｈ２も形成される。
【００６５】
図１８を参照して、ポリシリコン膜１０２のエッチングされた部分を充填し、さらにポリシリコン膜１０２を覆うようにレジスト１０３が形成される。その後、第１の貫通孔Ｈ１を形成する部分のレジスト１０３がパターニングされる。
【００６６】
図１９を参照して、第１の貫通孔Ｈ１がテーパ形状にエッチングされる。テーパ形状はエッチング条件調整により容易に形成される。その後、犠牲層膜１０１およびレジスト１０３がエッチングにより選択的に除去され、図１６に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。なお、上記のポリシリコン膜１０２の垂直エッチングとテーパエッチングの順序は入れ替えてもよい。
【００６７】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法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、その説明を繰り返さない。
【００６８】
本実施の形態の加速度センサによれば、第１の貫通孔Ｈ１は、他方面６ｂ側から一方面６ａ側に向かって開口面積が大きくなるように設けられたテーパ形状を有しているため、慣性質量体６が基板１側に変位すると、一方面６ａから他方面６ｂにテーパ形状に沿って慣性質量体６と基板１との間のエアーが効果的に抜ける。そのため、スクイズフィルムダンピング効果を抑制することができる。
【００６９】
さらに第１の貫通孔Ｈ１がテーパ形状を有しているため、実施の形態１より小さい第１の貫通孔Ｈ１の体積で実施の形態１と同量のエアーの抜けを実現することができる。そのため、実施の形態１と比較して第１の貫通孔Ｈ１の体積を小さくすることができる。このため、慣性質量体６の質量を大きくすることができる。加速度センサの感度は慣性質量体６の質量に比例するため、慣性質量体６の質量を大きくすることにより加速度センサの感度を高くすることができる。
【００７０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の加速度センサは、実施の形態１の加速度センサと比較して、基板の形状が主に異なっている。
【００７１】
図２０および図２１を参照して、基板１の慣性質量体６と対向する部分に溝９が形成されている。溝９は、基板１の慣性質量体６の外周部と対向する箇所において、第１のリンク梁５１および第２のリンク梁５２付近以外に形成されている。また、溝９は、基板１の慣性質量体６の外周部と対向する箇所の外側にも形成されている。さらに、溝９は、基板１の中央部において、平面視における第１の検出プレート４１と第２の検出プレート４２との間の領域に対向する箇所にも形成されている。
【００７２】
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７を参照して、基板１上に絶縁膜１１を介して第１の検出電極２１およびアクチュエーション電極７が形成される工程までは、本実施の形態の加速度センサは実施の形態１と同様に製造される。
【００７３】
図２２を参照して、基板１上全体にＰＳＧなどの犠牲層膜１０１が堆積される。アンカー８１（図１）が形成される部分および溝９（図２１）が形成される部分の犠牲層膜１０１が選択的にエッチングされる。犠牲層膜１０１を覆うように窒化膜などの絶縁膜１０４が形成される。
【００７４】
図２３を参照して、基板１上の溝９が形成される部分にＰＳＧなどの犠牲層膜１０５が堆積される。慣性質量体６の下面にあたる犠牲層膜１０５上に絶縁膜１０６が形成される。犠牲層膜１０５の表面には絶縁膜１０６が存在しない開口部１０７が形成される。
【００７５】
図２４を参照して、堆積されたポリシリコン膜１０２の表面にＣＭＰ処理が施され、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。さらに、ポリシリコン膜１０２に選択的なエッチングが行なわれる。これにより、第１のねじれ梁３１（図１）と、第１の検出プレート４１と、第１のリンク梁５１（図１）と、慣性質量体６と、アンカー８１とが一括形成される。この際、第１の貫通孔Ｈ１および第２の貫通孔Ｈ２も形成される。
【００７６】
図２５を参照して、ポリシリコン膜１０２の露出部分を覆うように絶縁膜１０８が形成される。
【００７７】
図２６を参照して、開口部１０７を通して絶縁膜１１と犠牲層膜１０５とがエッチングにより部分的に除去される。ＸｅＦ2（ニフッ化キセノン）などシリコンを選択的に除去する材料により基板１上に溝９が形成される。その後、犠牲層膜１０１、絶縁膜１０４，１０６，１０８が選択的に除去され、図２１に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。
【００７８】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法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、その説明を繰り返さない。
【００７９】
また、上記では、基板１上に溝９が形成される場合について説明したが、基板１に貫通孔が形成されていてもよい。
【００８０】
図２７を参照して、本実施の形態の加速度センサの変形例では、基板１の慣性質量体６と対向する部分に貫通孔１０が形成されている。この貫通孔１０は、図２６で示される工程において、ＸｅＦ2（ニフッ化キセノン）などシリコンを選択的に除去する材料により形成される。変形例のこれ以外の構成および製造方法は上述した本実施の形態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、その説明を繰り返さない。
【００８１】
本実施の形態の加速度センサによれば、基板１は、慣性質量体６と対向する部分に溝９および貫通孔１０の少なくともいずれかを有しているため、慣性質量体６との間の空間を大きくすることができるので慣性質量体６と基板１との間のエアーの閉じ込めを抑制できる。そのため、スクイズフィルムダンピング効果をさらに抑制することができる。これにより、さらに高精度の加速度センサを提供することができる。
【００８２】
上記の各実施の形態は適宜組み合わせられ得る。
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。
【符号の説明】
【００８３】
１  基板、２  検出電極、３  ねじれ梁、４  検出プレート、５  リンク梁、６  慣性質量体、６ａ  一方面、６ｂ  他方面、７  アクチュエーション電極、８  アンカー、９  溝、１０  貫通孔、１１  絶縁膜、２１  第１の検出電極、２１ａ  第１一方検出電極、２１ｂ  第１他方検出電極、２２  第２の検出電極、２２ａ  第２一方検出電極、２２ｂ  第２他方検出電極、３１  第１のねじれ梁、３２  第２のねじれ梁、４１  第１の検出プレート、４２  第２の検出プレート、５１  第１のリンク梁、５２  第２のリンク梁、８１，８２  アンカー、１０１  犠牲層膜、１０２  ポリシリコン膜、１０３  レジスト、１０４  絶縁膜、１０５  犠牲層膜、１０６  絶縁膜、１０７  開口部、１０８  絶縁膜、Ｈ１  第１の貫通孔、Ｈ２  第２の貫通孔。
【図２】
0005535124.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005535124.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0005535124.tif 000017
【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
0005535124.tif 000021
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0005535124.tif 000024
【図２７】
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【図１】
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【図１１】
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【図１５】
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【図２０】
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