(57)【要約】【課題】差動出力により外乱による力学量をキャンセルし、目的とする力学量の変化のみを検出する構成において、センサチップの角部に曲げ応力が作用した場合であっても、零点精度が悪化してしまうことを防止できるセンサ装置を提供する。【解決手段】ひし形形状のセンサチップ２には矩形形状のセンサエレメント７がマイクロマシニング技術により形成されている。センサエレメント７は、中心軸がセンサチップ２の対角線上に位置するようにセンサチップ２に形成されており、センサエレメント７の角部７ａがセンサチップ２の角部２ａから大きく離れている。これにより、センサチップ２の角部２ａに曲げ応力が作用した場合は、センサエレメント７の対角線上に位置する角部７ａの捻り変形を抑制することができるので、零点精度を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から作用する力学量に応じた信号を出力する複数の検出ブロックから構成されるセンサエレメントを有したセンサチップと、前記センサエレメントの各検出ブロックからの信号の差動出力をとることにより、外乱による力学量をキャンセルし、目的とする力学量の変化のみを検出する差動出力部とを備えたセンサ装置であって、
前記センサチップの前記センサエレメントは、中心軸が前記センサチップの角部に位置するように配置されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記センサエレメントは矩形形状であり、
前記センサチップはひし形形状であり、
前記センサエレメントの中心軸が前記センサチップの対角線上に位置していることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記センサチップは、他の部品と接合される底面が小さくなるように側面が内側に傾斜した形状であることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記センサチップは、他の部品と接合される角部の底面が除去された形状であることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記センサチップは、他の部品と接合される底面が存在する部位の表面にボンディングパッドが設けられていることを特徴とする請求項３または４記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から作用する力学量に応じた信号を出力する複数の検出ブロックからの信号の差動出力をとることにより、外乱による力学量をキャンセルし、目的とする力学量の変化のみを検出するセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば静電容量型のマイクロ角速度センサやマイクロ加速度センサは、極めて微小な静電容量変化を検出するセンサであることから、角速度や加速度以外の要因でセンサエレメントの静電容量に変化が発生すると、それにより零点が大きく変動する。現在問題となっているのは、パッケージやパッケージに実装されたプリント配線基板の熱歪などがセンサチップに伝わってチップが変形すると、センサエレメント構造の中の静電容量を形成している櫛歯電極の電極間隔やオーバーラップ面積が変わり、静電容量が変化することによって零点が変動してしまうことである。
【０００３】
特許文献１で示される従来のチップの積層構造では、チップ間に柔らかい接着フィルムを設けるなどして熱歪の低減を図るようにしていたが、それだけでは不十分で零点が変動してしまうことは避けられない。
【特許文献１】特開２００６−９８１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイクロ角速度センサやマイクロ加速度センサのエレメント構造では、センサエレメントは基本的には複数の検出ブロックに分かれており、各検出ブロックの検出容量の差動出力を差動回路上でとることにより、外乱により発生する静電容量変化はキャンセルし、目的とする容量変化だけを取り出すようにしている。
【０００５】
具体的には、マイクロ角速度センサの場合は、外からの衝撃で発生する静電容量変化は出力しないよう、差動出力回路で差動をとってキャンセルするような構成となっている。また、マイクロ角速度センサの場合、振動子の出来映えの或いはばらつきにより静電容量が設定値からずれ、零点が大きくずれるのを２つの検出ブロックの電極の差動をとることによりキャンセルするようにしている。
【０００６】
このような構成を採用した場合、熱歪によりセンサチップが変形してセンサエレメントの静電容量変化が発生する影響は、図９（ａ）に示すようにセンサチップ１０１が横方向の中心軸で湾曲変形したり、図９（ｂ）に示すように縦方向の中心軸で湾曲変形したりした場合は、差動キャンセルすることができる。
【０００７】
しかしながら、図１０に示すようにセンサチップ１０１の角部に曲げ応力が作用した場合は、センサエレメント１０２の対角線上に位置する角部が捻れ変形してしまい、このような場合には差動キャンセルすることはできず、センサの零点が変動してしまう。このため、マイクロ角速度センサ或いはマイクロ加速度センサにおいては、センサチップの捻れ変形により、零点精度が悪化することが大きな課題となっている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、差動出力により外乱による力学量をキャンセルし、目的とする力学量の変化のみを検出する構成において、センサチップの角部に曲げ応力が作用した場合であっても、零点精度が悪化してしまうことを極力防止できるセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明によれば、センサチップが曲げ応力を大きく受ける部位は、センサチップの中心から最も距離が遠い角部であるものの、センサエレメントは、中心軸がセンサチップの角部に位置するように配置されているので、センサエレメントの角部をセンサチップの角部から大きく離すことができる。従って、センサチップの角部に曲げ応力が作用した場合であっても、センサエレメントの角部が捻れ変形してしまうことを抑制できるので、センサの零点が変動してしまうことを極力防止することができる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、センサエレメントが矩形形状である場合は、センサチップをひし形形状とし、センサチップの対角線上にセンサエレメントの中心軸を位置させることにより、センサエレメントの中心軸をセンサチップの角部上に位置させることができる。
【００１１】
請求項３，４の発明によれば、センサチップの角部が最も曲げ応力を受けるので、センサチップを底面の角部が除去された形状とすることにより、曲げ応力によるセンサエレメントに対する影響を一層抑制することができる。
【００１２】
請求項５の発明によれば、請求項３，４の発明のように構成するにしても、ワイヤボンディング時にボンディングツールが滑ってしまうことを極力防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施例）
以下、本発明をマイクロ角速度センサに適用した第１実施例について図１ないし図４を参照して説明する。図２に、角速度センサの斜視図を示す。この図２では、角速度センサの内部がわかるように、セラミックパッケージや蓋の一部を省略している。
角速度センサ（センサ装置に相当）１は、センサチップ（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）チップ）２と、このセンサチップ２の下側に配置された回路チップ３と、これらを収納する容器形状のセラミックパッケージ４とをそれぞれ接着した構成となっている。
センサチップ２は、櫛歯状の固定電極と可動電極（図１参照）とを有しており、これらの固定電極と可動電極との間における静電容量変化により角速度（力学量に相当）を検出するようになっている。なお、センサチップ２の面積としては、例えば２０ｍｍ2である。
【００１４】
回路チップ３は、センサチップ２との間で送信される信号を処理する回路であり、センサチップ２と回路チップ３とはボンディングワイヤ５ａにより電気的に接続されている。
セラミックパッケージ４の内部には、センサチップ２及び回路チップ３が配置されており、蓋６によりセラミックパッケージ４内がセンサチップ２及び回路チップ３の収納状態で密閉されている。
セラミックパッケージ４の内側には、回路チップ３からの信号を外部に出力するための配線端子部４ａが設けられており、この配線端子部４ａと回路チップ３とがボンディングワイヤ５ｂにより接続されている。
【００１５】
図１は、センサチップ２を模式的に示す平面図である。この図１において、センサチップ２には、半導体基板にマイクロマシニング技術を用いて作製される静電駆動・容量検出形のセンサエレメント７が形成されている。
センサエレメント７は、図示左側の第１,第２検出ブロック８，９と、図示右側の第３,第４検出ブロック１０，１１からなり、第１,第２検出ブロック８，９と、第３,第４検出ブロック１０，１１とが図示上下方向の中心軸に対して左右対称構造となるように形成されている。第１検出ブロック８の図示左右両端部両側には駆動状態で反対極性となる一対の櫛歯状電極からなる静電容量検出部ＣＳ１，ＣＳ２が設けられ、第２検出ブロック９の図示両側には駆動状態で反対極性となる一対の静電容量検出部ＣＳ３，ＣＳ４が設けられ、第３検出ブロック１０の図示両側には駆動状態で反対極性となる一対の静電容量検出部ＣＳ５，ＣＳ６が設けられ、第４検出ブロック１１の図示両側には駆動状態で反対極性となる一対の静電容量検出部ＣＳ７，ＣＳ８が設けられている。各検出ブロック８〜１１の中央部には各静電容量検出部ＣＳ１〜ＣＳ８をそれぞれ駆動するための静電駆動部８ａ〜１１ａがそれぞれ設けられている。これらの静電駆動部８ａ〜１１ａは、第１，第２検出ブロック８，９と、第３，第４検出ブロック１０，１１とを図示横方向における反対方向にそれぞれ駆動するようになっている。
【００１６】
ここで、センサチップ２はひし形形状をなしており、上記構成の矩形形状のセンサエレメント７の中心軸がセンサチップ２の対角線上、ひいてはセンサチップ２の角部２ａに位置している。このような構成により、センサエレメント７の対角線上に位置する角部７ａをセンサチップ２の角部２ａから大きく離すことができる。
【００１７】
回路チップ３には差動増幅回路が設けられている。
図３は差動増幅回路を示す電気回路図である。この図３に示すように、差動増幅回路（差動出力部に相当）１２において、センサエレメント７を構成する第１ないし第４検出ブロック８〜１１の静電容量検出部ＣＳ１，ＣＳ５が並列接続されて第１オペアンプ１３の反転入力端子と接続され、静電容量検出部ＣＳ２，ＣＳ６が並列接続されて第１オペアンプ１３の非反転入力端子と接続され、静電容量検出部ＣＳ３，ＣＳ７が並列接続されて第２オペアンプ１４の反転入力端子と接続され、静電容量検出部ＣＳ４，ＣＳ８が並列接続されて第２オペアンプ１４の非反転入力端子と接続されている。
【００１８】
第１オペアンプ１３の出力端子は第３オペアンプ１５の反転入力端子に抵抗１６を介して接続され、第２オペアンプ１４の出力端子は第３オペアンプ１５の非反転入力端子に抵抗１７を介して接続されている。第３オペアンプ１５の出力端子は、第３オペアンプ１５の反転入力端子と抵抗１８を介して接続され、第３オペアンプ１５の出力端子から差動増幅信号が出力される。
図３に示したような電気回路により差動増幅回路１２を構成したのは、外からの衝撃で発生する静電容量変化を出力しないと共に、静電容量が設計値からずれ、零点が大きくずれてしまうことを防止するためである。
【００１９】
このような構成により、静電駆動部８ａ〜１１ａにより各静電容量検出部ＣＳ１〜ＣＳ８を図１における図示横方向に振動させた状態で、センサチップが図１の図面の垂直方向を中心として角速度が作用すると、静電容量検出部ＣＳ１〜ＣＳ８には図示上下方向の力が作用することから、図３に示す差動増幅回路１２からの差動出力に基づいて角速度を求めることができる。
【００２０】
一方、センサチップ２において回路チップ３と接合される底面２ｂは、図４（ａ）の側面図及び図４（ｂ）の底面図に示すように側面が傾斜するようにエッチングされている。これにより、センサチップ２は、回路チップ３と接合される底面２ｂの角部２ａが除去された形状に形成されている。
【００２１】
さて、パッケージ、或いはパッケージに実装されたプリント配線基板の熱歪などがセンサチップ２に伝わると、センサチップ２に変形する力が作用する場合がある。このような場合、センサエレメント７の中心軸での湾曲変形に対しては、上述した差動増幅回路１２により零点が変動してしまうことをキャンセルすることができるものの、センサエレメント７の対角線上に位置する角部７ａに対する捻り変形に対しては零点が変動してしまうことをキャンセルすることができない。
【００２２】
しかしながら、本実施例では、センサエレメント７を、その角部７ａがセンサチップ２の角部２ａから大きく離れるようにセンサチップ２に配置するようにしたので、センサチップ２の角部２ａに曲げ応力が作用した場合であっても、その曲げ応力によりセンサエレメント７において対角線上に位置する角部７ａが捻り変形してしまうことを抑制することができる。
【００２３】
このような実施例によれば、センサエレメント７は、中心軸がセンサチップ２の角部２ａ上に位置するようにセンサチップ２に配置されているので、センサエレメント７の角部をセンサチップ２の角部から大きく離すことができる。従って、センサエレメントの角部がセンサチップの角部に接近している従来例のものと違って、センサエレメント７の対角線上に位置する角部７ａが捻り変形してしまうことを抑制できるので、角速度センサ１の零点が変動してしまうことを極力防止することができる。
しかも、このように優れた構成を実施するには、センサチップ２に対するセンサエレメント７の配置を変更するのみで済むので、コストが上昇することなく容易に実施することができる。
【００２４】
さらに、センサチップ２は、回路チップ３と接合される底面２ｂの角部２ａが除去された形状に形成されているので、回路チップ３からセンサチップ２の角部２ａに作用する曲げ応力を低減することができる。つまり、センサチップ２の中心から角部２ａまでの距離を短くできるので、センサチップ２が曲げ応力の影響を受けることを一層抑制することが可能となるのである。
【００２５】
（第２実施例）
次に、本発明を加速度センサに適用した第２実施例について図５及び図６を参照して説明する。
図５は、加速度センサのセンサエレメントの構成を模式的に示す図である。この図５において、加速度センサのセンサエレメント２１は、図示上下方向に可動可能に支持された櫛歯状の可動電極２２と、この可動電極２２と対向する櫛歯状の第１固定電極２３、第２固定電極２４とを備えて構成されている。可動電極２２と第１固定電極２３との間の静電容量Ｃ１と、可動電極２２と第２固定電極２４との間の静電容量Ｃ２との差動出力を差動回路（差動出力部に相当）２５から出力することにより、図６に示すように静電容量の変化ΔＣ、ひいては図示上下方向に作用する加速度（力学量に相当）を求めることができる。
【００２６】
このような構成のセンサエレメント２１を、第１実施例と同様に、中心軸がセンサチップ２の対角線上に位置するようにセンサチップ２に形成することにより、センサエレメント２１の対角線上に位置する角部２１ａの捻り変形を抑制することができるので、第１実施例の角速度センサと同様に、加速度センサの零点が変動してしまうことを極力防止できる。
【００２７】
（その他の実施例）
センサチップ２を、図７に示すように底面２ｂの角部２ａが三角形状に除去された形状に形成するようにしてもよい。この場合、図８に示すようにセンサチップ２の表面に設けるボンディングパッド２ｃを、回路チップ３と接合される底面２ｂが存在する部位に対応した部位に設けるのが望ましい。このような構成によれば、ワイヤボンディグ時にボンディングツールがセンサチップ２上を滑ってしまうことを防止できる。
【００２８】
（変形例）
センサチップ２及び回路チップ３として正方形のものを用いたり、それ以外の形状のものを用いたりするようにしてもよい。
本発明は、櫛歯電極を有した角速度センサ或いは加速度センサに限らず、差動出力により、外乱による力学量をキャンセルし、目的とする力学量の変化のみを検出する構成のセンサであれば、櫛歯電極以外の検出手段を用いた角速度センサ或いは加速度センサに適用したり、それ以外の各種センサに適用したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例におけるセンサチップを模式的に示す平面図
【図２】一部を破断して示す角速度センサの斜視図
【図３】差動増幅回路を示す電気回路図
【図４】センサチップの（ａ）側面図、（ｂ）底面図
【図５】本発明の第２実施例における加速度センサのセンサエレメントを示す模式図
【図６】加速度が作用した状態で示す図５相当図
【図７】その他の実施例におけるセンサチップの底面図
【図８】パッドの設けた場合を示すセンサチップの平面図
【図９】従来例を示す（ａ）横方向の曲げ変形を示すセンサチップの斜視図、（ｂ）上下方向の曲げ変形を示すセンサチップの斜視図
【図１０】捻り変形を示すセンサチップの斜視図
【符号の説明】
【００３０】
図面中、１は角速度センサ（センサ装置）、２はセンサチップ、２ａは角部、２ｂは底面、２ｃはボンディングパッド、３は回路チップ、７はセンサエレメント、７ａは角部、８〜１１は検出ブロック、１２は差動増幅回路（差動出力部）、２１はセンサエレメント、２１ａは角部、２５は差動回路（差動出力部）である。
【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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