(57)【要約】【課題】固定電極と可動電極をビームで結合し、両電極間の静電容量で物理量を検知する加速度センサにおいて、ビーム折れを自動的に検知できるようにする。【解決手段】加速度センサ１のセンサチップ２のマス部２１に対向して上ガラス部３面上に固定電極３１を設け、この固定電極３１の周辺に、固定電極３１と略同じ面積を有するビーム折れ検知のための検知電極３４を形成し、マス部２１と固定電極３１との間の静電容量と、マス部２１と検知電極３４との間の各静電容量とを比較し、それらの差分によりビーム２２の折れを検知し、それらの和によりセンサ感度を約２倍に向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板をエッチング加工して少なくとも２方向からビームで支持されたマス部を形成し、このマス部に対向して配置された固定電極と前記マス部との間の静電容量の変化により加速度を検出する加速度センサにおいて、
前記固定電極側に前記ビームの折れ検知のための検知電極を形成し、
前記マス部に対する前記検知電極と前記固定電極のそれぞれの静電容量を比較することによりビームの折れを検知することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記ビーム折れ検知用の検知電極を前記固定電極の周囲に設けたことを特徴とする請求項１に記載の加速度センンサ。
【請求項３】
前記固定電極を２分割し、分割された各固定電極と前記マス部との間の各静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検知することを特徴とする請求項１に記載の加速度センンサ。
【請求項４】
前記固定電極を４分割し、分割された各固定電極と前記マス部との間の各静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検知することを特徴とする請求項１に記載の加速度センンサ。
【請求項５】
前記２方向からの２本のビームに対向する部分にビーム折れ検知電極を設け、これら検知電極と前記マス部との間の静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検出することを特徴とする請求項１に記載の加速度センンサ。
【請求項６】
前記固定電極の周辺部分に前記固定電極よりも厚く、かつ面積の小さいバンプを設け、この各バンプと前記マス部との間の静電容量の差分を検出することによりビーム折れを検知することを特徴とする請求項１に記載の加速度センンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサやジャイロセンサのような物理量センサであって、特に、固定電極と可動電極との間の静電容量から物理量を検出する静電容量式の加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の静電容量式センサにおいて、固定電極と、固定電極に対向する可動電極、及び可動電極を支持し物理量により変位する重り部と、一端が重り部と連結された撓み自在な１乃至複数のビーム部と、このビーム部の他端が連結されるフレーム部とが半導体基板に加工されて形成された半導体センサが種々提案されている。
【０００３】
このような半導体センサは、加速度の印加により、重り部が可動され、ビーム部が変形されて固定電極と可動電極の間隔が変化し、この変化により２電極間に発生する静電容量の変化が静電容量―電圧変換用の集積回路（ＩＣ）で電圧に変換されて加速度の大きさを検出する。
【０００４】
そして、このような加速度センサでは、加速度に対する検出感度を高めるために、可動電極を構成するマス部を重くするか、もしくはビームを薄く、又は長くすることによりビームを撓み易くし、同一加速度の印加に対して、マス部の変位量を増加させ、検出感度の向上を図っている。しかし、ビームは、数マイクロメートル〜数１０マイクロメートルの厚みであり、この微小なビームを薄くしたり、長くしたりすると、検出しようとする加速度よりもはるかに大きな力が加わった場合、ビームが折れてしまう場合がある。この場合、ビーム折損を早期に検出してセンサを交換する必要がある。しかし、ビームが２本とも同時に折れた場合は、固定電極と可動電極との間に検出される静電容量が大きく変化することによりビーム折れの検知が可能であるが、特に、片方のビームのみが折れた場合は、検出される容量値の変化が微小であるため、検知が困難であるという問題があった。
【０００５】
以下に、従来の静電容量式の加速度センサの例を図８を参照して説明する。図８（ａ）は、加速度センサの断面を示し、（ｂ）は同センサの重り部となる可動部の電極パターンを示し、（ｃ）は加速度センサを封止する上部ガラス部に配設された固定電極の電極パターンを示す。
【０００６】
これらの図において、加速度センサ１００は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ１０１と、このセンサチップ１０１を上下から覆って封止する上ガラス部１０２と下ガラス部１０３により構成されている。センサチップ１０１は、マス部１０４と、マス部１０４に一端が接続され、他端が周辺のフレーム部１０１aに接続される撓み自在に動くビーム１０５により構成されている。マス部１０４は、エッチング加工により形成され、同じくエッチング加工により形成された２本のビーム１０５により支持されている。上ガラス部１０２には、これに平行してマス部１０４に対向する位置に固定電極１０６が配設され、固定電極１０６は、固定電極端子１０７から上ガラス部１０２に設けられたスルーホール１０８を通して外部接続端子１０９に接続される。一方、可動電極であるマス部１０４は、可動電極取り出し電極１１０を通して外部端子に接続される。
【０００７】
この静電容量式センサは、物理量の印加により、ビームが変形することで固定電極と可動電極の間隔が変化し、この変化により２電極間に発生する静電容量の変化を静電容量―電圧変換用のＩＣで電圧に変換することで加速度の大きさを検出している。
【０００８】
しかしながら、上記の従来例では、２本のビーム１０５の両方が折れてマス部１０４がフレーム部１０１aから分離された場合は、マス部１０４と固定電極１０６との間の静電容量が急激に小さくなるので、加速度センサ１００において異常を感知することは可能である。しかし、ビーム１０５の２本のビームのうち、片方だけが折れてもう一方がマス部１０４と接続されている場合には、静電容量が急激には変化しない。従って、加速度センサ１では加速度の変化による容量の変化であるのか、ビーム折れによる容量の変化であるのかを明確に判断できないことになる。このため、ビーム折れを加速度の変化と誤って判断する虞があるという問題があった。
【０００９】
また、他の従来例として、例えば、特許文献１に示されるように、シリコンの半導体基板にエッチング技術によってビームにより支持される可動部が形成されたセンサチップと、可動部に対向してＸ方向、Ｙ方向の静電容量を検出する二つの固定電極を設けたガラス複合板と台座となる固定基板とを備え、センサチップをガラス複合板と固定基板により密封する静電容量型加速度センサが提案されている。ここでは、２つの固定電極が設けられているが、これらは２方向の加速度を検出するための電極であり、これらの電極ではビーム折れを検出できないという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−１７７０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、静電容量式の加速度センサにおいて、固定電極側にビームの折損を検知するための検知電極を形成し、この検知電極と固定電極との間及び可動電極と固定電極との間のそれぞれの静電容量を比較することにより、自動的にビーム折れを検知することができる加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、シリコン基板をエッチング加工して少なくとも２方向からビームで支持されたマス部を形成し、このマス部に対向して配置された固定電極と前記マス部との間の静電容量の変化により加速度を検出する加速度センサにおいて、前記固定電極側に前記ビームの折れ検知のための検知電極を形成し、前記マス部に対する前記検知電極と前記固定電極のそれぞれの静電容量を比較することによりビームの折れを検知するするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ビーム折れ検知用の検知電極を前記固定電極の周囲に設けたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定電極を２分割し、分割された各固定電極と前記マス部との間の各静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検知するものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定電極を４分割し、分割された各固定電極と前記マス部との間の各静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検知するものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１に記載の発明において、前記２方向からの２本のビームに対向する部分にビーム折れ検知電極を設け、これら検知電極と前記マス部との間の静電容量の差分を検出することによってビーム折れを検出するものである。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定電極の周辺部分に前記固定電極よりも厚く、かつ面積の小さいバンプを設け、この各バンプと前記マス部との間の静電容量の差分を検出することによりビーム折れを検知するものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、ビーム折れ検知のための検知電極を備えたことにより、ビーム折れ検出を独立に、かつ自動的に検出することができる。これにより、センサの故障修理を迅速に行え、加速度センサを利用する各種制御装置の安全性と信頼性を向上することができる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、ビーム折れが生じた場合、マス部の中心付近と周辺部分との各間隔のギャップ差により、固定電極とマス部との間の静電容量と、検知電極とマス部との間の静電容量と検出することができ、それらの差分を比較することによりビーム折れを容易に検知することができる。
【００１９】
請求項３の発明によれば、マス部と２分割された各固定電極との間に生じる静電容量の差分を比較することにより、容易にビーム折れを検知することができる。また、検出された各静電容量の和を用いることにより、加速度センサの感度を固定電極の分割前と同等に維持することができる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、マス部と４分割された各固定電極間に生じる各静電容量の差分を比較することにより、どのようなマス部の傾きに対しても、ビーム折れを検知することができ、検知の精度も向上する。また、検出された各静電容量の和を用いることにより、加速度センサの感度を固定電極の分割前と同等に維持することができる。
【００２１】
請求項５の発明によれば、検知電極とビームとの静電容量の変化を直接検出できるので、簡単にビーム折れを検知することができ、検知の精度も向上する。
【００２２】
請求項６の発明によれば、各バンプとマス部間の各静電容量を比較することにより、ビーム折れを容易に検知することができる。また、各バンプの厚みが固定電極の厚みより大きいため、各バンプが電極平面上で固定電極より高く位置し、面積も小さいことにより、過大な加速度が印加された場合の固定電極と可動電極との吸着を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施形態に係る静電容量式の加速度センサについて図１乃至図３を参照して説明する。図１は本実施形態による加速度センサ１の断面を示し、図２は、同センサのセンサチップの可動電極となるマス部の電極のパターン構成を示し、図３は、上部ガラス部に備えられた固定電極のパターン構成を示す。各図において、対応する部材には同一符号を付している（以下、同様）。なお、図２において、白地の部分はパターン形成部を示し、図３において、ハッチング部分がパターン形成部を示す。
【００２４】
これらの図において、この加速度センサ１は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ２と、このセンサチップ２を上下からカバーして封止する上ガラス部３及び下ガラス部４とにより構成されている。センサチップ２は、半導体微細加工により形成された可動するマス部２１、マス部２１に一端が接続され、他端が周辺のフレーム部２３に接続され、撓み自在の動くビーム部２２により構成され、略長方形に形成されている。
【００２５】
この加速度センサ１は、物理量の印加により、ビーム部２２が変形することで固定電極３１とマス部２１との間隔が変化し、この変化により両電極間に発生する静電容量の変化を静電容量―電圧変換用のＩＣで電圧に変換することで加速度の大きさを検出している。
【００２６】
マス部２１は、シリコン基板をエッチング加工で形成された２方向からビーム部２２の２本のビームで支持され、マス部２１の中央部周辺においてビーム部２２の各ビームの一端と連結されている。また、ビーム部２２からの各ビームの他端は、平行しながらマス部２の内部よりマス部２１の周囲を４角形状に略１周した位置において、それぞれフレーム部２３の内側角部に連結されている。マス部２１と下ガラス部４の間には、通常の加速度ではマス部２１が下ガラス部４に接触しないように空間４１が設けられている。
【００２７】
上ガラス部３では、マス部２１の中心付近の対向する位置に固定電極３１が配置され、固定電極３１の周辺部分には、固定電極３１と面積が略同じになるように、同一平面上にビーム折れ検知のための検知電極３４を形成されている。この検知電極３４は、ビーム折れが生じていない状態では、可動するマス部２１の平面と固定電極３１の平面とが平行して変位する。従って、固定電極３１とマス部２１との間の容量（Ｃ１）と、固定電極３１とビーム折れ検知電極３４との間の静電容量（Ｃ２）は、ほぼ等しく（Ｃ１＝Ｃ２）、加速度変位に対して同じように増減する。これらの検出出力は固定電極端子３５とビーム折れ検知電極端子３６から上ガラス部３に設けられてスルーホール３２等を通して外部電極部３３に接続される。
【００２８】
上記電極構成において、マス部２１を支える２本のビームのうち、片方のビームが折れた場合、マス部２１が傾くため、マス部２１の中心付近と周辺部分に容量ギャップの差が生じ、容量Ｃ１と容量Ｃ２の間で容量の差が発生する（Ｃ１＞Ｃ２、又はＣ１＜Ｃ２）。そして、これらの容量Ｃ１と容量Ｃ２を半導体集積回路のＡＳＩＣに加え、それらの静電容量の差分を検出し、その差分が或る閾値以上の値であればＡＳＩＣよりビーム折れを示すエラー信号を出力することによりビームの片折れを検知することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る加速度センサについて、図４を参照して説明する。図４は、センサチップ２を覆う上ガラス部部３に形成された固定電極のパターンを示し、固定電極を分割することによりビーム折れの検知を行う点で、前記実施形態と異なる。
【００３０】
固定電極は、それぞれのビームの支持点の中央で２つの固定電極３１ａ、３１ｂに等分に分割されている。固定電極３１ａ及び固定電極３１ｂとマス部２１との静電容量をＣ３、Ｃ４とすると、Ｃ３とＣ４は、固定電極３１ａと固定電極３１ｂの面積が等しいので、通常はＣ３＝Ｃ４となる。しかしながら、ビームの片折れが生じると、マス部２１と２分割された固定電極３１ａ、３１ｂとの間隔が異なるので、２つ容量Ｃ３と容量Ｃ４は同じではなくなり両者に容量の差が生じる。これらの容量Ｃ３、Ｃ４は、固定電極端子３５ａ、３５ｂより取り出され、前述と同様に、この差分をＡＳＩＣ等で比較することによりビーム折れを検知できる。また、ビーム折れがない正常な場合は、２つの固定電極３１ａ、３１ｂの容量の和（Ｃ３＋Ｃ４）を検出出力とすることにより、固定電極の分割前と同程度の検出静電容量を維持でき、加速度センサ１の感度を低下させることなく、ビーム折れを検知することができる。また、固定電極を加速度検出とビーム折れの検知の両方を兼ねることができるので、簡単なパターン構成でビーム折れ検知機能付きセンサを実現できる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る加速度センサについて、図５を参照して説明する。図５は、センサチップを覆う上ガラス部部に形成された固定電極のパターンを示し、ビーム折れの検知を固定電極を４分割することにより行う点で、前記実施形態と異なる。
【００３２】
固定電極３１は、それぞれのビームの支持点の中央で４つの同じ面積の固定電極３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆに４等分に分割されている。これらの各固定電極３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆとマス部２１との静電容量をそれぞれＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８とすると、通常は、Ｃ５＝Ｃ６＝Ｃ７＝Ｃ８となる。しかしながら、ビームの片折れが生じると、マス部２１と４つの固定電極３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆとのそれぞれの傾きが異なることにより、マス部２１と分割された各固定電極３１ｃ乃至３１ｆとの間が等間隔でなくなり、このため、４つ容量Ｃ５乃至Ｃ８間のバランスが崩れ、これらの容量の間で差が生じる。これらの静電容量は固定電極端子３５ｃ〜３５ｆより取り出され、ＡＳＩＣで電気信号に変換される。そして、ＡＳＩＣにおいて、これらの４つの異なる容量の差分を検出することにより、より細かなビーム折れを検知することができる。さらに、ビーム折れがない正常な場合は、４分割の固定電極３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆで検出された静電容量の和を用いることにより、分割する前と略同等の感度が得られ、センサ感度を低下させることなく、ビーム折れを検知機能を持った加速度センサを得ることができる。
【００３３】
次に、本発明の第４の実施形態に係る加速度センサについて、図６を参照して説明する。図６（ａ）は、センサチップ２を覆う上ガラス部３に形成された固定電極とビーム折れ検出電極のパターン構成を示し、（ｂ）はセンサチップ２の電極パターンを示す。本実施形態は、ビーム折れ検出電極３４をビーム部２２に対向する部分に形成した点で前記実施形態と異なる。
【００３４】
同図において、上ガラス部３の固定電極３１と同一平面において、センサチップ２に設けられた２本のビーム部２２に対向する部分に、それぞれビーム折れ検出電極３４ａ、３４ｂが形成されている。ここで、点線のパターンは、加速度センサ１内で対向するビーム部２２のパターンの相対的位置を示す。この構成において、ビーム折れが生じた場合、ビーム部平面と検出電極平面との平行性が崩れ、ビーム部２２と検出電極３４ａ及び検出電極３４ｂとの間のそれぞれの静電容量が異なってくるため、これらの静電容量を検知し、その差分を検出することにより、ビームの片折れを検出することができる。そして、ビーム部２２のパターンの上に検出電極３４ａ、３４ｂを直接相対する形で設けたことにより、ビーム部２２と検出電極３４ａ、３４ｂの間の静電容量を直接的に検出できるので、より正確に片折れを検知することができる。
【００３５】
次に、本発明の第５の実施形態に係る加速度センサについて、図７を参照して説明する。本実施形態の加速度センサは、センサチップを覆う上ガラス部３にバンプ３７を設けた点で前記実施形態と異なる。
【００３６】
同図において、上ガラス部３は、固定電極３１の周辺部分に固定電極３１よりも厚く、かつ面積の小さい４つのバンプ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄとこれらのバンプからの容量を取り出すバンプ出力端子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを備えている。各バンプは一定の面積を持つので、これらバンプ３７のパターンとマス部２１との間の静電容量を検出することができる。従って、マス部３１と各バンプ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄとの間の各静電容量の差分を検出することによりビーム折れを検知することができる。これにより、バンプを利用することにより、特別の検知電極を形成することなくなく容易にビーム折れを検知できる。また、各バンプ３７ａ乃至３７ｄの厚みｄ１が固定電極３１の厚みｄ２より厚いので、バンプを固定電極面より高くでき、また面積も小さい。従って、過大な加速度が印加された場合に、固定電極３１とマス部２１との間の吸着を防止することができる。
【００３７】
以上述べたように、本実施形態に係る加速度センサによれば、ビーム折れ検知のための検知電極３４を設けたことにより、マス部２１に対する検知電極３４と固定電極３１のそれぞれの静電容量を比較することにより、その差分からビーム部２２の折れ検出を独立に、自動的に検知することができる。このことにより、ビーム折れ検出機能付きの加速度センサを提供することができ、センサの欠陥検出を迅速に行え、加速度センサ利用の制御装置の安全性を維持することができる。また、検知電極３４からの検出静電容量と固定電極からの検出静電容量との和を用いることにより、加速度検出容量を倍に増やすことができ、これにより加速度センサの感度を約２倍にすることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、固定電極を２分割して、各電極に生じる静電容量差を比較することにより、センサの感度を落とさずに容易にビーム折れを検知することができる。また、固定電極をビーム折れ検知電極と兼用でき、電極パターン構成を簡単にできる。
【００３９】
また、固定電極を４分割して各静電容量を比較することにより、どのような可動電極の傾きに対しても、センサの感度を落とさずに簡単にビーム折れを検知することができ、検知の精度も向上する。
【００４０】
また、検知電極とビーム部との間の静電容量の変化を検出することにより、ビームの片折れを直接的に検知でき、検知精度を向上することができる。
【００４１】
さらに、バンプのパターンを静電容量検出に利用することにより、ビームの片折れを検知することができる。また、バンプの厚みを固定電極の厚みより大きくすることにより、バンプを固定電極より高く位置でき、面積も小さいため、過大な加速度が印加された場合の固定電極と可動電極との吸着を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの断面図。
【図２】上記センサのセンサチップの電極パターン図。
【図３】上記センサの上ガラス部の電極パターン図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る加速度センサの上ガラス部の電極パターン図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る加速度センサの上ガラス部の電極パターン図。
【図６】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る加速度センサの上ガラス部の電極パターン図、（ｂ）は同センサの上ガラス部の電極パターン図。
【図７】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る加速度センサの断面図、（ｂ）は同センサの上ガラス部の電極パターン図。
【図８】（ａ）は従来の加速度センサの断面図、（ｂ）は上記センサのセンサチップの電極パターン図、（ｃ）は同センサの上ガラス部の電極パターン図。
【符号の説明】
【００４３】
１  加速度センサ
２  センサチップ
２１  マス部
２２  ビーム部（ビーム）
３１、３１a、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１e、３１ｆ  固定電極
３４、３４a、３４ｂ  検知電極（ビーム折れ検知電極）
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ  バンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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