(57)【要約】【課題】  感度を低下させることなく、周波数応答性を向上させる。【解決手段】  フレーム部２１と質量部２２と質量部２２をフレーム部２１に支持するダイアフラム２３とが一体形成された基板２０がベース３０上に搭載され、質量部２２及びダイアフラム２３とベース３０との間に所定の空隙５１が構成され、質量部２２の変位を静電容量の変化として検出する固定電極４１がベース３０上に形成されている静電容量型加速度センサにおいて、フレーム部２１の内周側部分に空隙５１を延長形成し、その空隙５１に臨む溝２４を上記内周側部分に形成する。静電容量を検出する面積を減少させることなく、エアダンピングを低減できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム部と、そのフレーム部内に位置する質量部と、その質量部をフレーム部に支持するダイアフラムとが一体形成された基板がベース上に搭載され、上記ダイアフラムは上記基板の上記ベースと対向する面に位置して上記質量部及びダイアフラムと上記ベースとの間に所定の空隙が構成され、上記質量部の変位を静電容量の変化として検出する固定電極が上記ベース上に形成されている静電容量型加速度センサにおいて、
上記フレーム部の内周側部分に上記空隙が延長形成され、その空隙に臨む溝が上記内周側部分に形成されていることを特徴とする静電容量型加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は静電容量検出型の加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図６はこの種の加速度センサの従来構成例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、単結晶シリコンよりなる基板１１にフレーム部１２、質量部１３及びダイアフラム１４が一体形成されている。
質量部１３は方形枠状をなすフレーム部１２の枠内中央に位置し、ダイアフラム１４によってフレーム部１２と連結されており、質量部１３はその全周が弾性を有するダイアフラム１４に支持されて変位可能とされている。
基板１１の上下面にはそれぞれガラス等の絶縁性材料よりなる上部固定基板１５及び下部固定基板１６が配されており、フレーム部１２の上下面がこれら上部固定基板１５及び下部固定基板１６とそれぞれ接合され、これにより加速度センサ内部に閉鎖空間が形成されている。
【０００３】
質量部１３はこの例ではフレーム部１２よりもやや薄く形成されており、これにより質量部１３と上部固定基板１５及び下部固定基板１６との間には所要の間隙がそれぞれ形成されている。質量部１３は可動電極として機能し、この例では上部固定基板１５の内面にこの質量部１３と対向する固定電極１７が形成されている。
上記のような構成とされた加速度センサでは入力軸方向（基板１１板面と垂直方向）に加速度が入力すると、質量部１３はその入力加速度に応じて慣性力により変位し、これにより質量部１３と固定電極１７との間の距離が変化するため、質量部１３と固定電極１７間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を検出することによって入力加速度を検出することができる。
【０００４】
なお、質量部１３は質量部１３と上部固定基板１５及び下部固定基板１６との間隙に存在する流体（例えば空気）によってその変位が妨げられ（エアダンピングされ）、それにより応答性が悪化することになるため、この例ではこのようなエアダンピングを低減すべく、質量部１３の上下面にそれぞれ複数本の溝１８が形成されたものとなっている。
【特許文献１】特開平８−２５４５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
静電容量は電極面積に比例し、電極間の距離に反比例することから、この種の静電容量型加速度センサの感度はこれらの項目を含め、下記（１）〜（４）の条件により決まる。
（１）質量部の質量
（２）電極の面積
（３）ダイアフラムのバネ定数
（４）電極間の距離
一方、静電容量型加速度センサの小型化、もしくは大きさを維持しつつ高感度化を検討する時、（１）の質量部の質量や（２）の電極の面積を増大することには大きさの点から限界が生じる。また、（３）のダイアフラムのバネ定数を低減することについても、耐衝撃性の点からダイアフラムを極端に薄くすることはできず、限界が生じる。そこで、（４）の電極間の距離を狭くする必要が生じるが、これによりエアダンピングが大きくなるといった問題が発生する。
【０００６】
例えば静電容量型加速度センサにおいて、小型化及び高感度化のためには電極間の距離、つまり質量部と固定電極との距離は少なくとも数ミクロン程度に設定する必要があり、これによりエアダンピングが極めて大きくなって周波数応答性の悪化を招くため、従来においては前述した例のように質量部１３の表面に溝１８を設けるといったことが行われている。
しかるに、このように質量部の表面に溝を設けると、その分静電容量を検出する電極としての面積も減少することになり、よってその面積減少分だけ感度が低下することになる。
【０００７】
この発明の目的はこの問題に鑑み、静電容量を検出する面積を減少させることなく、エアダンピングを低減できるようにし、よって周波数応答性に優れ、かつ感度も優れた静電容量型加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、フレーム部と、そのフレーム部内に位置する質量部と、その質量部をフレーム部に支持するダイアフラムとが一体形成された基板がベース上に搭載され、ダイアフラムは基板のベースと対向する面に位置して質量部及びダイアフラムとベースとの間に所定の空隙が構成され、質量部の変位を静電容量の変化として検出する固定電極がベース上に形成されている静電容量型加速度センサにおいて、フレーム部の内周側部分に上記空隙が延長形成され、その空隙に臨む溝が上記内周側部分に形成されているものとされる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、静電容量を検出する面積を犠牲にすることなく、エアダンピングを低減することができ、よって感度の低下を招くことなく、周波数応答性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による静電容量型加速度センサの一実施例を示したものであり、図１Ａは外観を示し、図１Ｂは断面構造を示す。また、図２Ａ，Ｂはそれぞれ図１ＡにおけるＣＣ断面及びＤＤ断面を示す。
この例では静電容量型加速度センサはフレーム部、質量部及びダイアフラム等が形成されてなる基板２０と、この基板２０が搭載されるベース３０とによって構成されている。図３及び４はこれら基板２０及びベース３０の構成を示したものであり、さらに図５は基板２０を底面側から見た状態を示したものである。まず、基板２０及びベース３０の構造を説明する。
【００１１】
基板２０は図３に示したように方形枠状をなすフレーム部２１と、そのフレーム部２１内の中央に位置する質量部２２と、フレーム部２１と質量部２２との間に位置して質量部２２を変位可能にフレーム部２１に支持するダイアフラム２３とが一体形成されてなるもので、基板２０は例えば単結晶シリコンよりなるものとされ、その異方性エッチングによりこれらフレーム部２１、質量部２２及びダイアフラム２３が形成されている。ダイアフラム２３は基板２０の底面２０ａ側に位置されている。
基板２０の底面２０ａには図５に示したように方形の４辺を構成するように４つの細長い溝２４が形成され、さらにそのうちの１つの溝２４の長手方向中央部と連通してその溝２４の外側に、つまり基板２０の側面側に幅広の溝２５が形成されている。４つの溝２４は図２に示したようにフレーム部２１の内周側部分に位置されている。なお、溝２５は基板２０の側面に開放されず、側面の手前で止められている。これら溝２４，２５は単結晶シリコンの異方性エッチングによって形成される。
【００１２】
一方、ベース３０は例えばガラス等の絶縁性材料よりなり、図４に示したように基板２０より横長の矩形板状をなすものとされる。ベース３０の上面は一辺の中央が切り欠かれた方形枠形状を残してわずかにへこんだ形状とされており、つまりベース３０の上面には凹面３０ａがエッチング加工等により形成されており、この凹面３０ａによって方形枠状の段部３１に囲まれた凹部３２と、段部３１の外側に位置し、ベース３０の一方の短辺側に位置する端子形成部３３と、凹部３２と端子形成部３３とをつなぐ配線引き出し部３４とが形成されている。段部３１は基板２０のフレーム部２１に対応する形状とされ、凹部３２は図２に示したようにフレーム部２１の内周側部分に対向する位置まで、つまり溝２４と対向する位置まで至る大きさとされている。
【００１３】
上記のような構造とされたベース３０の凹部３２の中央には固定電極４１が形成され、端子形成部３３に形成された端子４２と固定電極４１とは配線引き出し部３４を通る引き出し線４３を介して接続されている。これら固定電極４１、端子４２及び引き出し線４３は例えばスパッタにより成膜形成される。なお、方形をなす固定電極４１は質量部２２と対向する形状とされる。
ベース３０と基板２０との組み立てはベース３０の段部３１上に基板２０を搭載固定することによって行われ、これにより図１に示した静電容量型加速度センサが完成する。ベース３０と基板２０との固定は例えば陽極接合によって行われる。なお、接着固定とすることもできる。ベース３０の端子４２が形成されている端子形成部３３は図１に示したように基板２０の側方にはみ出した形態となる。
【００１４】
基板２０の底面２０ａ側に位置するダイアフラム２３はベース３０と対向され、図１Ｂ及び図２に示したようにベース３０に形成されている凹部３２によってダイアフラム２３及び質量部２２とベース３０との間に所定の空隙５１が構成される。空隙５１はフレーム部２１の内周側部分にまで延長して存在しており、フレーム部２１に形成されている溝２４はこの空隙５１に臨むものとなる。なお、基板２０の底面２０ａに形成されている幅広の溝２５はベース３０の配線引き出し部３４上に位置される。
上記のような構造において、図２Ａ中に示したように空隙５１の寸法（空隙量）をａとし、溝２４，２５の深さをｂとした時、
ｂ＞ａ
とされ、好ましくは溝深さｂは空隙寸法ａの１０倍以上とされる。なお、図１，２等においては空隙５１は分かり易くするため、誇張して示してある。また、ダイアフラム２３の厚さをｃとし、溝２４とフレーム部２１の内壁面（傾斜面）との間の厚みをｄとした時、
ｄ＞ｃ
とされる。
【００１５】
上記のような構成を有する加速度センサは入力軸方向（基板２０板面と垂直方向）に加速度が入力すると、図６に示した従来の加速度センサと同様、質量部２２が変位して固定電極４１との間の距離が変化する。よって、質量部２２と固定電極４１間の静電容量の変化を検出することによって入力加速度を検出することができる。
また、この例では空隙５１と連通した溝２４，２５の存在によって質量部２２のエアダンピングを低減できるものとなっている。例えば、溝深さｂを前述したように空隙寸法ａの１０倍以上とすると、ダイアフラム２３の周囲及び配線引き出し部３４の空隙５１における流速は、溝２４，２５を設ける前の１／１０以下となる。流体の粘性による損失は流速に比例することから、ダイアフラム２３の周囲及び配線引き出し部３４における損失は溝２４，２５を設ける前の１／１０以下となり、この部分の損失を低減することで、この例ではセンサ全体のエアダンピングを低減できるものとなっている。なお、図６に示した従来例と異なり、この例では質量部２２の固定電極４１と対向する面に溝を設けるものではないため、静電容量検出面積は減少せず、よって感度の低下は発生しない。
【００１６】
次に、各種形態の試作を行って評価した結果について説明する。
外形寸法（ベース３０の大きさ）を４ｍｍ×５ｍｍとし、空隙寸法ａを１．４μｍとした加速度センサにおいて、下記３種類の試作を行った。質量部２２の質量、固定電極４１の面積及びダイアフラム２３は同一条件とした。
試作１（比較例）：溝２４，２５を設けない場合
試作２（比較例）：質量部２２の固定電極４１との対向面に前記特許文献１の図６に                      記載されているような格子状の溝を設けた場合
試作３（実施例）：溝２４，２５を設けた場合（溝深さｂ：２５μｍ）
【００１７】
これら試作１〜３の遮断周波数を測定した結果を以下に示す。
試作１（比較例）：１０．６Ｈｚ
試作２（比較例）：１１．８Ｈｚ
試作３（実施例）：２６．５Ｈｚ
上記結果から明らかなように、この発明の実施例である試作３では遮断周波数が大幅に向上しており、エアダンピングの低減に対し、極めて優れた効果があることが確認された。なお、試作３の感度は試作１の感度と同じであったが、試作２の感度は試作１の感度に対し、約１５％低下していた。質量部の固定電極との対向面に溝を設ける構造ではこのように感度が低下してしまい、また上記結果から明らかなようにエアダンピングの大きな低減効果を望めないことがわかった。
【００１８】
上述した実施例では溝２４に加え、溝２５を設けているが、必ずしも溝２５を設ける必要はなく、溝２４を設けるだけとしてもよい。この場合でも上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明による静電容量型加速度センサの一実施例を示す図、Ａは外観を示す斜視図、Ｂは断面構造を示す斜視図。
【図２】Ａは図１ＡのＣＣ断面図、Ｂは図１ＡのＤＤ断面図。
【図３】図１Ａにおける基板の斜視図。
【図４】図１Ａにおけるベースの斜視図。
【図５】図３の基板を底面側から見た斜視図。
【図６】静電容量型加速度センサの従来構成例を示す図、Ａは一部切り欠いた平面図、Ｂは断面図。
【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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