(57)【要約】【課題】  従来の容量型サーボ方式のセンサ素子を用いた容量型加速度検出装置においては、容量検出器にサーボ制御のための電圧が印加されるため、計測範囲を拡大しながらＳＮ比も十分確保することが難しかった。【解決手段】  加速度を検出する一組の容量電極の一方を加速度によって変位するようにし、他方の電極をアクチュエータによって可動とした。これを２組用意し、差動形式の容量型加速度センサとしたものである。この場合、差動形式とする２つの検出電極を互いに接合し、アクチュエータによって検出容量の調整を行う。これによって、加速度の計測レンジが拡大され、また良好なＳＮ比が確保される。【選択図】      図１
2006170704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に加わる加速度によって変位し得る一対の電極を備えた第一検出容量と、
前記基板に加わる加速度によって変位し得る一対の電極を備えた第二検出容量と、
前記第一検出容量を形成する電極の一方と前記第二検出容量を形成する電極の一方とが接合されたアクチュエータとを備え、
前記アクチュエータによって前記第一及び第二検出容量が夫々所定の容量になるように制御される容量型加速度検出装置。
【請求項２】
第一検出容量の一方の電極と第二検出容量の一方の電極とが、絶縁物を介してアクチュエータと接合され、
かつ、第一検出容量の一方の電極と第二検出容量の一方の電極とが、基板上の梁によって支持され、
前記第一検出容量の他方の電極と前記第二検出容量の他方の電極とが同一の電極であり、
かつ、該同一の電極は前記基板上の梁によって支持され加速度によって変位することを特徴とする請求項１に記載の容量型加速度検出装置。
【請求項３】
第一検出容量の一方の電極と第二検出容量の一方の電極とが、絶縁物を介してアクチュエータと接合され、
かつ、前記第一検出容量の一方の電極と前記第二検出容量の一方の電極とが、基板上の梁によって支持され、
前記第一検出容量の他方の電極と前記第二検出容量の他方の電極とが同一の電極であり、かつ前記基板上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の容量型加速度検出装置。
【請求項４】
第一検出容量の他方の電極と第二検出容量の他方の電極とが同一の電極であり、該同一の電極は絶縁物を介してアクチュエータと接合され、かつ、前記同一の電極とアクチュエータとは基板上の梁によって支持され、
前記第一検出容量の一方の電極と前記第二検出容量の一方の電極とが、前記基板上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の容量型加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検出装置に関し、さらに詳しくはコンデンサーの容量の変化を検出することで、加速度を検出する容量型加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の容量型の加速度センサ素子は、基板上に梁で支持された加速度方向に可動な電極（以下、可動質量体という）と、基板上に固定された２つの検出電極とが成す１組の差動容量によって構成されていた。従来の検出装置においては、測定を開始する前の段階では、加速度により可動質量体が変位する前の可動質量体と検出電極との間のギャップ（初期ギャップ）は、一定値に固定されていた。いま、加速度が作用し可動質量体が変位すると、その変位に基く差動容量の変化は、Ｃ−Ｖ変換回路（Ｃ−Ｖ変換器）を通じて電圧出力に変換され、可動質量体の変位に対応した検出装置出力信号が得られる構成になっていた（例えば、特許文献１参照）。
また、容量型サーボ方式の加速度センサ素子の場合、一方の検出電極と可動質量体間の電位差と、他方の検出電極と可動質量体間の電位差とを調整することにより、加速度による可動質量体の変位を打ち消すような静電力を発生させて可動質量体の変位を抑制することにより、感度向上と要求の周波数特性の両立を図っていた（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２０９０号公報
【特許文献２】特開平３−２９３５６５号公報
【特許文献３】特開平９−２６４９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
容量型加速度センサ素子の出力感度Sは、基本的に初期ギャップｇｏに対する単位加速度当たりに発生する検出電極の変位量ｕの比、すなわち、ｕ／ｇｏ（変位率）に比例する。一方、加速度センサ素子のノイズは、加速度センサ素子の電気的出力ノイズや温度変化によるゼロ点変動や感度の出力変動や経時変化による出力変動を含めて定義される。一定の値以上のＳＮ比（感度ＳをノイズＮで割った値）を確保するためには、出力感度Ｓを大きくする必要があり、単位加速度当たりに発生する可動質量体の変位ｕは、なるべく大きく設定される。このことは、その可動質量体の質量（Ｍ）とその可動質量体を支える梁のばね定数（Ｋ）で決定される振動の固有角周波数ωｏ（＝（Ｋ／Ｍ）0.5  ）を低下させることに対応する。つまり、梁のばね定数を小さくするかあるいは可動質量を大きくすることに対応する。
【０００５】
特許文献のような従来の容量型の加速度センサ素子においては、上述の場合、単位加速度に対する変位量ｕを大きくすると、変位ｕが初期ギャップｇｏに等しくなる加速度（電極どうしが接触する物理的検出限界）が小さくなり、仕様で必要とされる加速度の計測範囲を満足できないという問題が発生し、逆に、必要な計測範囲を満足するように単位加速度に対する変位量を小さくすると、必要とされるＳＮ比を満足できないという問題があった。
【０００６】
そこで、フィードバック制御による容量型サーボ方式のセンサ素子が考え出された。すなわち、一方の検出電極と可動質量体間の電位差と、他方の検出電極と可動質量体間の電位差とを調整して、加速度による可動質量体の変位を打ち消すような静電力を発生させて可動質量体の変位を抑制することにより、感度向上と要求される周波数特性の両立を図っていた（例えば、特許文献２参照）。この場合、加速度センサの可動電極の変位ｕは、容量検出器にて、その大きさと方向（±ｘ方向）が決定され、これに応じてパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）がなされる。この手法では、容量変化の検出と静電引力の発生を同一電極間で行っているため、矩形波の最大電圧を効率よく利用することができないといった問題点や、後続の容量検出回路との関係で、矩形波の最大電圧や基準電圧Ｖｏをあまり大きくできず、ＳＮ比向上のための制限になっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、計測範囲を拡大すると共に加速度センサ素子に必要とされる良好なＳＮ比も実現する容量型加速度検出装置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】
【０００８】
本発明は、基板に加わる加速度によって位置が移動する電極を備えた第一検出容量と、同じく、基板に加わる加速度によって位置が移動する電極を備えた第二検出容量とを備え、第一検出容量を形成する２つの電極の内の一方と第二検出容量を形成する２つの電極の内の一方が、アクチュエータと接合されている構成であり、アクチュエータによって第一及び第二検出容量が夫々所定の容量になるように制御されることによって加速度を検出する装置に関するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、検出容量を形成する電極の一方を、加速度の方向に変位可能な可動構造とし、かつ、検出容量を形成する電極間のギャップをアクチュエータの静電駆動によって制御し、容量が所定の値になるようにした。そのため、センサのＳＮ比を増加させるために電極の変位が大きくなるよう設計した場合においても、検出容量を形成する電極の変位に追随するようにアクチュエータが静電駆動されるため、計測レンジが拡大される。また、差動形式の容量検出回路を構成する第一及び第二検出容量の夫々の電極が、アクチュエータと接合されているので、アクチュエータの静電駆動によって制御される第一検出容量と第二検出容量の変化量に差が生じにくく、フィードバック制御が容易になる利点がある。そのため、良好なＳＮ比と計測範囲の拡大を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態１に係る容量型加速度検出装置に用いる加速度センサ素子の構造を示す模式平面図である。図２は図１中のＡ−Ａの断面図、図３は図１中のＢ−Ｂの断面図、図４は図１中のＣ−Ｃの断面図、図５は図１中のＤ−Ｄの断面図である。図６、７、８は製造方法を説明するための工程順の断面図である。図９は、図１で示す加速度センサ素子の電気的等価回路を説明するための図である。また図１０は、本実施の形態１に係る容量型加速度検出装置の動作を説明するためのブロック線図である。
【００１１】
なお、本実施の形態１においては、アクチュエータと接合されている第一検出容量の一方の電極を第一可動検出電極、第二検出容量の一方の電極を第二可動検出電極と呼び、更に、第一可動検出電極の側に接続されているアクチュエータを第一アクチュエータフレーム、第二可動検出電極の側に接続されているアクチュエータを第二アクチュエータフレームと呼ぶことにする。また、第一及び第二検出容量の他方の電極である単一の共通電極を可動質量体と呼ぶことにする。
【００１２】
図１において、電気的絶縁性を有した基板１の上方に、可動質量体２が設けられている。この可動質量体２には、略コの字形状をした第一の梁３が端部に接続され、更に各第一の梁３はストッパアンカー５を介して基板１に固定されている。そのため、可動質量体２は、第一の梁３によって基板１から浮いた形で支持されている。即ち、基板１上に立設されたストッパアンカー５によって、梁３を介して接続された可動質量体２は宙に浮いた形になっている。また、第一の梁３は、加速度検出軸（図１中のＸ軸）の方向に可動質量体２が最も変位できるように梁剛性が設定されている。更に、絶縁膜８を介して接合された第一可動検出電極６と第二可動検出電極７は、可動質量体２を囲むように配置されている。
【００１３】
図１において、第一可動検出電極６と可動質量体２は、対向する平行平板電極を形成し、また同様に、第二可動検出電極７と可動質量体２は、対向する平行平板電極を形成している。これらは、それぞれ差動容量としての検出容量Ｃ1、Ｃ２である。図４は、図１において示したＣ−Ｃ断面線に沿って見た断面図であり、第二可動検出電極７と可動質量体２が対向して平行平板電極を形成している状態を表すものである。なお、図４の断面図において第二可動検出電極７と可動質量体２が対向して成す容量は、図９において示す等価回路図では、図中のＣ２に相当する。
【００１４】
第一可動検出電極６は、絶縁膜８を介して第一アクチュエータフレーム９と接合されている。また、第二可動検出電極７は、絶縁膜８を介して第二アクチュエータフレーム１０と接合されている。第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０は、それぞれ、第二の梁４で支持され、アンカー部１２を介して基板１上に固定されている。同様にして、第一及び第二可動検出電極６、７もそれぞれ第二の梁４で支持され、アンカー部１２を介して基板１上に固定されている。第二の梁４も第一の梁３と同様略コ型の折り曲げ形状であり、加速度方向にのみ変位できるような状態になっている。そのため、これら第一可動検出電極等は一体として可動する構造となる。
【００１５】
一方、第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０には、加速度検出方向に静電駆動力を発生するための、櫛歯（コウム）アクチュエータ構造が形成されている。例えば第一アクチュエータフレーム９側の断面を図５に示す。第一アクチュエータフレーム９の内側において突き出た櫛歯状の電極に対向した第一固定駆動電極１７が基板１上に形成されている。例えば、第一アクチュエータフレーム９と第一固定駆動電極１７の間に電圧を加えれば、アクチュエータとして機能させることができる。図９の等価回路は、可動質量体２と第一及び第二可動検出電極６、７によって形成される検出容量Ｃ1およびＣ2、第一及び第二固定駆動電極１７、１８と第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０によって形成される駆動容量ＣＬ1、ＣＬ2、ＣＲ1、ＣＲ2をそれぞれ示している。また、第一可動検出電極６と第一アクチュエータフレーム９との間、第二可動検出電極７と第二アクチュエータフレーム１０間は絶縁膜８で分離されているので、付加容量としてＣ12、Ｃ1a、Ｃ2aが形成される。
【００１６】
図１中のＢ−Ｂ線断面を示す図３において、固定駆動電極、可動質量体等を電気的に外部と接続するために、基板１上に配線１３が形成されている。配線１３は、可動質量体等の下にある部分については透視することになるため、図１においては配線１３の一部を破線で示している。配線１３は、さらに、シリコン酸化膜と配線１３から構成される電極島構造１１へ接続されている。また、電極島構造１１の上部は、外部との接続のために、ワイヤボンディング用の電極パッド１４が必要に応じて設けられ、加速度センサ素子の外部回路（例えば、フィードバック回路７）と接続される。なお、可動質量体２と第一または第二可動検出電極６、７との間に所定のギャップが設定され、可動質量体２と第一または第二可動検出電極６、７とが接触しないように考慮されているが、これらが過剰に移動した場合には、図３中のストッパアンカー５がこれらの過剰な移動を止める。また、本実施の形態１は、フィードバック制御による容量型サーボ方式のセンサ素子の例を示しており、差動容量形式のため、図１中のＢ−Ｂ線に対して左右対称形になっている。また同様にして、図９で示す等価回路図も図１に対応した差動容量形式である。
【００１７】
次に、本実施の形態の加速度センサ素子を用いた容量型加速度検出装置の動作について図１、図９及び図１０を用いて説明する。いま、図１中において示すＸ方向に加速度Ａが加わると、第一及び第二可動検出電極６、７と可動質量体２は可動構造であるので、これらは加速度Ａの大きさに応じて変位する。その結果として、検出容量（図９中のＣ１及びＣ２）の変化が生じる。この様子を図９を用いて説明する。図９において、加速度Ａによって第一の梁３に支持された可動質量体２はＸ方向にＵｘだけ変位する。差動容量形式のため、可動質量体２の変位Ｕｘは相反する向きに検出容量の値を変化させる。即ち、図９に示すＣ１は増加、Ｃ２は減少となる。また同時に、加速度Ａによって第一及び第二可動検出電極６、７もＸ方向にＵｄだけ変位する。これらの変位によって、第一及び第二可動検出電極６、７と可動質量体２が成す検出容量の変化が生ずることになる。次にこのＸ方向の動きに対応して、フィードバック制御がなされ、第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０が加速度Ａの方向にＵｄｄだけ変位するように駆動される。そのため、結果的には差動容量は、一方は検出容量を形成する可動質量体２と第一可動検出電極６との相対的な間隔からＵｄｄだけ減った間隔に対応する容量になり、他方は、可動質量体２と第二可動検出電極７との相対的な間隔からＵｄｄだけ増えた間隔に対応する容量になる。これらの容量を検出することによって加速度Ａを知ることが可能となる。
【００１８】
上述の加速度を検出する動作について図１０を用いて更に説明する。図１０において示すように、容量型加速度検出装置は、加速度センサ素子２５と、Ｃ-Ｖ変換回路２７、Ｃ-Ｖ変換回路２７が発生する電圧を検出するフィードバック回路２６とから構成されている。なお、説明の便宜上、検出容量Ｃ１及びＣ２は加速度センサ素子２５の一部であるが、等価回路上はＣ-Ｖ変換回路２７に含まれるものとして取り扱っている。
【００１９】
始めに、図１０に使用している用語の定義について説明する。加速度Ａに対する変位Ｕｘを関係づける第一の梁３と可動質量体２とからなる系（これらは、絶縁膜８を介して接合され一体となっているので、説明の便宜上、可動電極系と称して以下説明する）の伝達関数をＧｍと定義する。即ち、ある弾性定数を持った梁３にある質量を持った可動質量体２が支持されているため、ここに加速度Ａが加われば、梁３の弾性定数と可動質量体２の質量に見合った変位Ｕｘが加速度Ａに応じて生ずる。この加速度Ａと変位Ｕｘの関係を伝達関数Ｇｍと定義することとする。一方、第一及び第二可動検出電極６、７と第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０とからなる系（以下、検出電極系と称する）は、第二の梁４で支持されており、加速度ＡによってＸ方向にＵｄだけ変位する。Ｇｍの定義と同様にして、Ｇｄと定義することとする。また、第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０は駆動電圧Ｖｆで静電駆動されるが、Ｖｆと検出電極系の変位Ｕｄｄとの関係を伝達関数Ｇｅｓと定義する。また、検出容量（図９中のＣ１及びＣ２）は、可動質量体２と、第一及び第二可動検出電極６、７とが変位することによって変化する。実際には、容量Ｃ１及びＣ２には検出のための電圧Ｖｓ（後述する）が印加されており、容量Ｃ１及びＣ２の変化が電圧の変化Ｖｃｖとして検出される。この関係をＣ−Ｖ変換回路系伝達関数Ｇｃｖと定義する。更に、Ｖｃｖはフィードバック回路２６に伝わり、駆動電圧Ｖｆに変換される。フィードバック回路２６の入力Ｖｃｖに対する応答Ｖｆの関係を増幅補償回路伝達関数Ｇｋと定義する。
【００２０】
次に、Ｖｃｖを検出するフィードバック制御の詳細について説明する。図１０において、可動質量体２の変位Ｕｘと第一及び第二アクチュエータフレームの変位Ｕｄの差であるＵｘ-Ｕｄから、フィードバック制御の効果としてＵｄｄが差し引かれた値Δの大きさに対応して、Ｃ-Ｖ変換された出力Ｖｃｖが出力される。たとえば、このＣ−Ｖ変換回路として、特許文献３（特開平９−２６４９０５号公報  第１図及び第２図）に示される電荷バランス方式を利用した場合（図１１において図示する。）、その出力は
Ｖｃｖ＝Ｖｓ(1±Δ／ｇ0)／２          （１）
で表される。ここで、ＶｓはＣ-Ｖ変換回路の駆動電源電圧であり、ｇ0は、可動質量体２と第一可動検出電極６、７間の電極間初期ギャップである。
【００２１】
更に、図１０に示すように、Ｖｃｖの出力は、増幅補償回路伝達関数Ｇｋを経て駆動電圧Ｖｆに変換され、このＶｆが検出装置出力となる。なお、このＶｆは第一及び第二の固定駆動電極１７、１８にそれぞれ印加される。固定駆動電極には、バイアス電圧Ｖｏを基本として固定駆動電極の一方にＶｏ+Ｖｆが印可され、他方の固定駆動電極にＶｏ-Ｖｆが印可される。一方で、第一及び第二アクチュエータフレーム９，１０は電気的に接地されている。その結果として、第一及び第二アクチュエータフレーム９，１０に可動質量体２と同じ方向で、ＶｏとＶｆの積に比例した作用力が発生し、検出電極系は可動質量体２に追随する様に変位フィードバック制御される。
【００２２】
本実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法について、本実施の形態１の要部である検出電極系を示した例を用いて説明する。図６中の（ａ）は、図１中のＡ−Ａの断面を示した模式断面図である。図６中の（ｂ）は、図６（ａ）中のＨ−Ｈで示した範囲（第一の可動検出電極６、第一のアクチュエータフレーム９とこれらの繋ぎ目である絶縁膜８）の模式断面図である。図７及び図８は、図６（ｂ）で示した部分に着目して、工程順にセンサ素子が形成されていく様子を示したものである。なお、図６中の（ａ）において示した絶縁膜８中には、後述するポリシリコンが埋め込まれた図になっていないが、これは図説の簡便のため省略しているのであり、実際には図６中の（ｂ）のようになっている。
【００２３】
本実施の形態１に使用する基板には、表面にシリコン酸化膜を有するシリコン基板（ＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）を用いている。この基板は、表面から順に、膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜、その下に高濃度の不純物を拡散させた４０μｍ程度のシリコン活性層と、更にその下に膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜とを有したＳＯＩ基板である。即ち、ＳＯＩ基板の下側から、シリコンの基板１、シリコン酸化膜４３、シリコン活性層４４、シリコン酸化膜４５、からなる４層構造を作製した基板を使用している。この状態が図７中の（ａ）である。
【００２４】
まず、検出電極系にある絶縁膜８を形成する方法について説明する。はじめに、図７（ａ）で示した最表面のシリコン酸化膜４５の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術を利用して選択的にレジストを残し、エッチング時のマスクを形成し、最表面のシリコン酸化膜４５の一部をエッチング除去する。つぎに、その下層のシリコン活性層４４をＩＣＰ-ＲＩＥ(Inductively coupled Reactive Ion Etching)等を用いてエッチングしてトレンチ４６を形成する。この時点の断面を、図７（ｂ）に示す。つぎに、トレンチ４６及びシリコン酸化膜４５の全面にＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により膜厚２５００Å程度の窒化膜を形成する。本実施の形態１においては、この窒化膜が絶縁膜８である。つぎに、その窒化膜の上にポリシリコン４２をＬＰＣＶＤ法により堆積し、トレンチ４６をポリシリコン４２により埋める。この時点の断面を、図７（ｃ）に示す。つぎに、トレンチ４６を埋めた部分以外のポリシリコン４２をＣＭＰ（Chemical-mechanical polishing）法により除去する。除去後の断面を、図７（ｄ）に示す。つぎに、露出したポリシリコン４２の表面を熱酸化してシリコン酸化膜４８を形成した後、表面に露出している部分の窒化膜（絶縁膜８）をＲＩＥ法等により除去する。除去後の断面を、図８中の（ｅ）に示す。上述したように、検出電極系にある絶縁膜８には、その中にポリシリコン４２が埋め込まれた構造になっている。
【００２５】
次に、図示していないが、電気的コンタクトのためにシリコン酸化膜の一部を除去し、露出したシリコン活性層にＡｌ又はＣｒ/Ａｕをスパッタリングし、リフトオフ手法などでパターニングして端子１５を形成する。
【００２６】
次に、検出電極系を可動な構造とする工程について説明する。上述の工程の後に、フォトリソグラフィーによって所望の形状にレジスト層を成形し、先に述べたＩＣＰ-ＲＩＥ法によるドライエッチング手法等により上述のシリコン酸化膜４３、シリコン活性層４４、シリコン酸化膜４５、からなる積層構造を所望の形状にエッチングする。ドライエッチング後の断面を、図８（ｆ）に示す。開口部４９は、ドライエッチングによってシリコン酸化膜４５及びシリコン活性層４４が除去された部分であり、下層のシリコン酸化膜４３が露出している。次に、フッ酸等を用いるウエットエッチングにより下層のシリコン酸化膜４３を除去する。開口部４９よりフッ酸を浸入させ、シリコン酸化膜４３をウエットエッチングし、空隙４１を形成する。この断面を、図８（ｇ）に示す。検出電極系等は、基板から浮いた形で梁によって支持されている構造となっている。なお、フッ酸等を用いるウエットエッチングのため、図８（ｆ）にはあった上層のシリコン酸化膜４５も同時に除去される。また、図８（ｆ）において符号４４で示したシリコン活性層は、機能的に第一の可動検出電極６と第一のアクチュエータフレーム９として図８（ｇ）には示されている。以上のように、これら上述した工程を経て、図１に示した本実施の形態１の構造が完成する。
【００２７】
先に説明した可動質量体２、第一及び第二可動検出電極６、７、第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０及び第一及び第二固定駆動電極１７、１８の構造は、上述のＳＯＩ基板中のシリコン活性層４４に形成される。そのため、これらは導電性を持つので、コンデンサーの電極とすることができる。また、可動質量体２、第一及び第二可動検出電極６、７及び第一及び第二アクチュエータフレーム９、１０については、基板１から浮いた形で梁によって支持されているが、これら浮いた構造は、可動質量体等の下のシリコン酸化膜を除去することによって浮かせている。そのため、シリコン活性層に形成した可動質量体２等を電気的に絶縁することができる。
【００２８】
本実施の形態１では、加速度が加速度センサ素子に印加された場合において、可動質量体２の変位と検出電極系の変位の差が小さくなるように、検出電極系が変位フィードバック制御される。この制御のために印加される電圧は、可動検出電極とは電気的に絶縁されているため、変位検出のためのＣ−Ｖ変換回路系への影響がない。また、駆動電圧Ｖｆがフィードバックされるため、例えば図１０において、Ｖｆ発生後に加法的に電気的ノイズＶｅ（例えば、Ｃ−Ｖ変換器ノイズやオペアンプ増幅器のノイズ）が挿入されると想定した場合に、Ｖｅはループゲイン（１＋Ｇｃｖ・Ｇｋ・Ｇｅｓ）分の１となり、電気的ノイズが低減される。その結果として、ＳＮ比が向上する。また、検出電極系も変位するので、可動質量体２と第一又は第二可動検出電極６、７との間隔が無くなるまでは原理的に加速度Ａを検出でき、そのため、加速度センサ素子に要求される測定範囲を広げることが可能となる。また、差動容量を形成する２つの検出電極系が絶縁物を介して接合されており、これら２つの検出電極系の変位が同一となるため、別々にフィードバック制御する場合に比べ制御が容易となる。このため、装置全体の作製コストがより少なくて済む利点がある。以上述べたように、加速度センサ素子に必要とされるＳＮ比と計測範囲拡大の２つの要求を同時に満足する容量型加速度検出装置を提供することが可能となる。
【００２９】
図１から図８の例では、２つの検出電極系の変位を検出するための容量形成方法として、平行平板電極を採用した例を示したが、図１に示す第一固定駆動電極１７と第一アクチュエータフレーム９、または、第二固定駆動電極１８と第一アクチュエータフレーム１０との間で形成されている櫛歯電極の形を採用しても同様の効果がある。また逆に、図１に示す第一固定駆動電極１７と第一アクチュエータフレーム９、または、第二固定駆動電極１８と第一アクチュエータフレーム１０との間で形成されている櫛歯電極構造を平行平板電極の構成としても同様の効果を得ることが出来る。
【００３０】
実施の形態２.
本実施の形態２の容量型加速度検出装置について説明する。
図１２は、本実施の形態２に係る容量型加速度検出装置に用いる加速度センサ素子の構造を示す模式平面図である。図１３は図１２中のＦ−Ｆの断面図、図１４は図１２中のＧ−Ｇの断面図である。また、図１５は、図１２で示す加速度センサ素子の電気的等価回路を説明するための図である。容量型加速度検出装置は、加速度センサ素子２５と、加速度センサ素子２５が発生する電圧を検出するフィードバック回路２６とから構成されている。これらから構成される本検出装置のブロック線図を図１６に示した。
【００３１】
図１２において、電気的絶縁性を有した基板１の上に第一可動検出電極６と第二可動検出電極７が設けられ、これらは絶縁膜８を介して接合されている。また、第一及び第二可動検出電極６、７は、絶縁膜８を介してそれぞれアクチュエータフレーム９と接合されている（以下、これらを可動構造体という）。可動構造体は可動の梁（総計４本の上下左右に対称配置された第二の梁４）によって支持され、これらの梁はアンカー部１２を介して基板１に固定されている。また、可動構造体は、図１２において記す矢印の方向(Ｘ軸方向)に変位できるように梁剛性が設定されている。可動構造体の一部である第一及び第二可動検出電極６、７に対向して、固定電極１９が基板１上に固定されており、これらにより平行平板の差動容量が形成されている。これら差動容量は、図１５に示す等価回路に記載の、各検出容量Ｃ１、Ｃ２に対応している。他方、アクチュエータフレーム９は第一及び第二固定駆動電極１７、１８と対向して配置され、図１５中の平行平板コンデンサーＣｄ１、Ｃｄ２に対応するものである。
【００３２】
また、図１２において、検出容量Ｃ１は、可動構造体が紙面の上方向(Ｘ軸の正方向)に移動した時に増加するように対抗間隔（ギャップ）が設定され、他方、検出容量Ｃ２は、可動構造体が紙面の下方向(Ｘ軸の負方向)に移動した時に増加するように対抗間隔（ギャップ）が設定されている。また、電極島構造１１には、ワイヤボンディング用に電極パッド１４が設けられている。また、可動構造体の過剰な変位による梁破壊などを防止する目的で、変位ストッパ１６が設けられている。
【００３３】
次に、本実施の形態の加速度センサ素子を用いた容量型加速度検出装置の動作について図１５及び図１６を用いて説明する。なお、以下に説明する伝達関数（Ｇｍ等）は、実施の形態１で説明した関数と同義である。また同様にして、Ｃ−Ｖ変換回路２７、フィードバック回路２６も実施の形態１で説明した機能を有する。図１５において、可動構造体（総質量をＭとする）に加速度Ａが加わると、慣性力Ｆａ（＝ＭＡ）が発生する。この慣性力により可動構造体は、Ｘ方向（矢印方向）にＵだけ変位する。図１５においては、この変位を矢印Ｕで示す。この変位が生じた場合は、変位が小さくなるように、可動構造体がフィードバック制御される。このときのアクチュエータフレーム９に加えられる力を図１６においては矢印Ｆｅｓで示している。以下、図１６を用いて加速度を検出する動作について更に説明する。
【００３４】
図１６において、この変位Ｕと慣性力Ｆａの関係は伝達関数Ｇｍで定義される。上述の変位Ｕにより差動容量である検出容量Ｃ１、Ｃ２に容量変化が発生し、この変化は後続のＣ−Ｖ変換回路２７により電圧変化に変換される。このときの変位と出力電圧の関係はＣ−Ｖ変換回路系伝達関数Ｇｃｖで定義される。Ｃ−Ｖ変換回路２７の電圧出力は、増幅補償回路伝達関数Ｇｋを有するフィードバック回路２６に入力され、アクチュエータフレーム９と梁４を含む系の伝達関数Ｇｅｓによって駆動力に変換されアクチュエータフレーム９に加わる力Ｆｅｓとして、慣性力を打ち消す方向にフィードバック制御される。フィードバック制御の結果として、可動構造体に加わる力が、ΔＦ＝Ｆａ-Ｆｅｓと小さくなり、対応するその変位ΔＵも小さくなる。
【００３５】
なお、本実施の形態２の加速度センサ素子については、実施の形態１で示した可動質量体２が無いこと等が実施の形態１と異なるが、その製造方法については実施の形態１について説明した製造技術を使用するので省略する。
【００３６】
実施の形態２では、容量型サーボ方式を採用することによって得られる加速度の計測範囲の拡大と同時に以下のような利点が得られる。実施の形態２では、検出用の第一及び第二可動検出電極６、７とフィードバック制御に利用されるアクチュエータフレーム９、１０とが、電気的に完全に分離されており、従来の一周期平均値によってバイアス電圧を生成する方式とは異なり、アクチュエータフレーム９、１０に加えられる電圧と各固定駆動電極に加えられる電圧との差の２乗に比例して発生する静電引力を最大限利用する事が可能となる。その結果として、最大駆動電圧はそのまま効率よく静電引力に変換する事が可能であり、また、容量検出回路からの電気的な制約を受けずに、独立してフィードバック制御用のバイアス電圧Ｖｆや駆動電源電圧Ｖｓを設定することが可能であり、これらを独立に高電圧化することによってＳＮ比を更に向上させることが可能である。
【００３７】
また、図１２から図１６の例では、第一及び第二可動検出電極６、７の変位を検出するための容量形成方法および第一アクチュエータフレーム９を駆動するためのアクチュエータの形成方法として、平行平板電極を採用した例を示したが、実施の形態１において説明した図１中に示す第一固定駆動電極１７とアクチュエータフレーム９との間で形成されている櫛歯電極の形を採用しても同様の効果がある。
【００３８】
なお、固定駆動電極に駆動電圧を印加してアクチュエータフレーム９を静電駆動し、このときの検出装置出力Ｖｆを検出することで加速度センサ素子が確実に動作するかどうかをチェックする自己診断が可能となる。
【００３９】
実施の形態３.
本実施の形態３の容量型加速度検出装置について説明する。
図１７は、本実施の形態３に係る容量型慣性力検出装置に用いる加速度センサ素子の構造を示す模式平面図である。
図１２の例では、第一及び第二可動検出電極６、７を可動側に配置したが、これを第一及び第二の固定検出電極２０、２１として図９の固定電極に対応する位置に固定設置し、図１２の固定電極１９をアクチュエータフレーム９に絶縁膜８を介して隣接して可動とする構成をとっても、同様の効果を発揮できる。すなわち、図１７において、基板１上に第一及び第二の固定検出電極２０、２１と、加速度の方向に変位可能な可動電極２２とを配置し、これらによって第一及び第二の検出容量を形成する。また、可動電極２２は絶縁物を介してアクチュエータフレーム９に接合されているので、可動電極２２は加速度の方向に静電駆動される。この構成によっても実施の形態２と同様の作用効果が得られ、独立してフィードバック制御用のバイアス電圧Ｖｆ及び基準電圧Ｖｓが設定可能であり、ＳＮ比を向上させるためにこれらを独立に高電圧化することも可能であるといった利点がある。そのため、加速度の計測範囲の拡大と同時にＳＮ比を向上させることが可能である。
【００４０】
なお、本実施の形態３の加速度センサ素子については、実施の形態１または２と可動構造体の構成が異なるが、その製造方法については実施の形態１について説明した製造技術を使用するので省略する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１による容量型加速度検出装置に用いる加速度センサ素子を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による図１中のＡ−Ａ切断面の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による図１中のＢ−Ｂ切断面の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による図１中のＣ−Ｃ切断面の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１による図１中のＤ−Ｄ切断面の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１による加速度センサ素子の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１による加速度センサ素子の製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１による加速度センサ素子の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１による容量型加速度検出装置の等価回路を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による容量型加速度検出装置のブロック線図である。
【図１１】容量型加速度検出装置に使用するＣ−Ｖ変換回路の回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による容量型加速度検出装置に用いる加速度センサ素子を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による図９中のＥ−Ｅ切断面の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による図９中のＦ−Ｆ切断面の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による容量型加速度検出装置の等価回路を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による容量型加速度検出装置のブロック線図である。
【図１７】本発明の実施の形態３による容量型加速度検出装置に用いる加速度センサ素子を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：基板    ２：可動質量体    ３：第一の梁    ４：第二の梁
６：第一可動検出電極    ７：第二可動検出電極    ８：絶縁膜
９：第一アクチュエータフレーム    １０：第二アクチュエータフレーム
１７：第一の固定駆動電極    １８：第二の固定駆動電極
２０：第一の固定検出電極    ２１：第二の固定検出電極
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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