(57)【要約】【課題】精度よく物理量を検出する。【解決手段】物理量の変位に応じて動作する可動電極５と、可動電極５と相互に間隙を介して対向配置される固定電極６とを備え、可動電極５と固定電極６の対向面積の大きさに応じて検出される静電容量に基づき物理量を検出することで実現する。【選択図】図１
2008292426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変位に応じて動作する可動電極と、
前記可動電極と相互に間隙を介して対向配置される固定電極とを備え、
前記可動電極と前記固定電極の対向面積の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出すること
を特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記可動電極と前記固定電極とを、それぞれ櫛歯状に形成し、
櫛歯状とした前記可動電極と前記固定電極との組み合わせを、前記可動電極を弾性的に可動支持するビーム部を介して略対称に配置すること
を特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
櫛歯状とした前記可動電極と前記固定電極との組み合わせを、前記ビーム部を介して略対称に複数個、配置すること
を特徴とする請求項２記載の静電容量式センサ。
【請求項４】
前記可動電極は、前記ビーム部により４点支持されること
を特徴とする請求項２又は請求項３記載の静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで固定部に弾性要素を介して可動電極が支持された構造を形成し、作用した外力等に応じて可動電極が固定電極に対して接離可能となるようにして、これら電極間の静電容量の変化を検出することで加速度や角速度等の種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサが知られている（例えば、特許文献１。）。
【特許文献１】特開２００２−１３１３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した特許文献１で開示されている静電容量式センサである半導体力学量センサでは、固定電極と可動電極間の電極間ギャップに基づき静電容量を検出している。つまり、特許文献１で開示されている静電容量式センサでは、静電容量をＣ、電極間ギャップをｄ、固定電極と可動電極との対向する対向面積をＳ、誘電率をεとした場合に定義される、Ｃ＝εＳ／ｄにおいて、反比例の関係にある電極間ギャップｄに基づき静電容量Ｃを検出している。したがって、静電容量Ｃの変化は、物理量の変位に対して反比例して変化することから、特に物理量の変位が小さい場合などには変位の直線性を利用することができないため、検出される静電容量Ｃの精度が低くなってしまうといった問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、極めて精度よく物理量を検出することができる静電容量式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】
【０００５】
本発明の静電容量式センサは、物理量の変位に応じて動作する可動電極と、前記可動電極と相互に間隙を介して対向配置される固定電極とを備え、前記可動電極と前記固定電極の対向面積の大きさに応じて検出される静電容量に基づき前記物理量を検出することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の静電容量式センサは、前記可動電極と前記固定電極とを、それぞれ櫛歯状に形成し、櫛歯状とした前記可動電極と前記固定電極との組み合わせを、前記可動電極を弾性的に可動支持するビーム部を介して略対称に配置することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の静電容量式センサは、櫛歯状とした前記可動電極と前記固定電極との組み合わせを、前記ビーム部を介して略対称に複数個、配置することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の静電容量式センサは、前記可動電極が、前記ビーム部により４点支持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、極めて精度よく物理量を検出することを可能とする。
【００１０】
また、本発明によれば、ビーム部を介して略対称に配置させる櫛歯状の可動電極と固定電極との組み合わせを複数個とすることで、可動電極、固定電極の対向面積の総面積が増加するため静電容量の検出感度を向上させることと可能とする。
【００１１】
また、本発明によれば、可動電極を４点支持することで、可動電極、固定電極間の電極間ギャップの変位を抑制することができるため、静電容量の検出感度を大幅に向上させることを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
［静電容量式センサの構成］
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す静電容量式センサ１Ａの構成について説明する。実施の形態として示す静電容量式センサ１Ａは、水平な１軸方向の加速度を検出することができる。
【００１４】
図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、フレーム部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６が形成されている。
【００１５】
図２は、図１のＩ−Ｉ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１Ａを切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１Ａは、この半導体層２の表裏両面にガラス基板などの絶縁層２０，２１を、例えば、陽極接合などをして接合することで形成される。これら半導体層２と絶縁層２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。
【００１６】
図１に示すように、フレーム部３は、略長方形の枠状に形成され、静電容量式センサ１Ａの半導体層２のサイズを規定している。フレーム部３には、略長方形の枠状の長辺内側の中央位置から、中心に向かって直線状に伸びる１対のビーム部４が設けられている。
【００１７】
図１に示すように、１対のビーム部４は、中心に向かって直線状に伸びた一端が、可動電極５に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。
【００１８】
これにより、静電容量式センサ１Ａでは、可動電極５に対し、バネ要素としてのビーム部４、ビーム部４に接続されたフレーム部３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような静電容量式センサ１Ａは、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１Ａは、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１Ａに加えられた加速度を検出することができる。
【００１９】
具体的には、この静電容量の変化は、可動電極５、固定電極６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａからなる検出部８Ａ、８Ｂ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。つまり、検出部８Ａ、８Ｂは、それぞれ櫛歯状の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａとを組み合わせることでなる。この検出部８Ａ、８Ｂは、ビーム部４を介して略対称となるように配置されている。
【００２０】
図１に示すプラス（＋）方向に加速度が与えられると、可動電極５がプラス（＋）方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量（静電容量増加）と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量（静電容量減少）に差が生じる。この静電容量の差からプラス（＋）方向の加速度を検出することができる。
【００２１】
一方、図１に示すマイナス（−）方向に加速度が与えられると、可動電極５がマイナス（−）方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量（静電容量減少）と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量（静電容量増加）に差が生じる。この静電容量の差からマイナス（−）方向の加速度を検出することができる。
【００２２】
図１に示す固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ、Ｂ上には、図２に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を介し、隅部６ｂの表面６ｃ、貫通孔２４の内周面２４ａ、絶縁層２０の表面２０ａに固定電極６の電位を取り出すための電極部２３が金属薄膜にて形成されている。なお、絶縁層２０の表面２０ａは、図示しない絶縁性の樹脂層によって被覆（モールド成形）される。
【００２３】
また、この貫通孔２４を絶縁層２１に設け、同じように電極部２３を形成して、半導体層２の裏面より固定電極６の電位を取り出すようにしてもよい。
【００２４】
一方、可動電極５の電位は、当該可動電極５をビーム部４を介して支持する各フレーム部３から取り出すようにする。図１に示すフレーム部３の位置Ｃ、Ｄ上には、図示しないが、上述した固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ、Ｂ上と同様に、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を介し、可動電極５の電位を取り出すための電極部が金属薄膜にて形成されている。また、この貫通孔を絶縁層２１に設け、同じように電極部を形成して、半導体層２の裏面より可動電極の電位を取り出すようにしてもよい。
【００２５】
図３に示すように、絶縁層２０の表面２０ａ上には、各電極部２３から取り出した電位を、物理量を検出するための信号処理を実行する図示しない信号処理回路へと入力する配線２５が形成されている。
【００２６】
［検出部８の構成］
続いて、図４に示す静電容量式センサ１Ａの検出部８の一部を拡大した平面図を用いて、検出部８の詳細な構成について説明をする。
【００２７】
図１に示すように可動電極５は、１対のビーム部４の一端が接続される略正方形状の中央部５ｂと、中央部５ｂを介して固定電極６方向に対称に設けられた１対の略長方形状の端部５ｃとを備えている。端部５ｃの長手方向は、ビーム部４の長手方向と一致している。
【００２８】
また、図４に示すように、可動電極５には、各端部５ｃからフレーム部３の一辺に向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極５ａが形成されている。検出可動電極５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極５ａは、先端部が互いに平行となるように揃えられ、全て同一の長さに形成されている。
【００２９】
一方、固定電極６には、可動電極５の端部５ｃに向けて、検出可動電極５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極６ａが形成されている。検出固定電極６ａは、隅部６ｂの中央位置より伸びる１本の検出固定電極６ａｃより左右に分岐伸長された枝部６ｄ上に、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極５ａの間に、検出可動電極５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極６ａは、検出可動電極５ａに対応させて、全て同一の長さとなっており、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。
【００３０】
図４に示すように、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａを形成する上で設けられた間隙１０ａ、１０ｂは、同一の間隔となっている。検出部８は、この間隔１０ａ、１０ｂではなく、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向面積を検知面積として検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の静電容量を検出する。
【００３１】
つまり、検出部８では、静電容量をＣ、電極間ギャップをｄ、検出可動電極５ａと検出固定電極６ａとの対向する対向面積をＳ、誘電率をεとした場合に定義される、Ｃ＝εＳ／ｄにおいて、比例の関係にある対向面積Ｓに基づき静電容量Ｃを検出している。これにより、静電容量Ｃの変化が、物理量である加速度の変位に対して比例して変化することから、特に物理量の変位が小さい場合などでも変位の直線性を利用することができるため、検出される静電容量Ｃの精度を向上させることができる。
【００３２】
このとき、櫛歯状とした検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの数を、当該静電容量式センサ１Ａのサイズに応じて、できるだけ増加させる。これにより、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向面積の総面積を増加させることができるため、検出感度をさらに向上させることができる。
【００３３】
［検出部を増加させた構成］
図１に示した静電容量式センサ１Ａでは、検出部８Ａ、８Ｂをビーム部４を介して略対称に配置、つまり、ビーム部４を介して検出部８を１つずつ配置させているが、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向面積の総面積を増加させ、検出感度を向上させるために、ビーム部４を介して略対称に配置させる検出部８の数を増加させるようにしてもよい。
【００３４】
図５に、ビーム部４介して略対称に配置させる検出部８の数を増加させた一例として、静電容量式センサ１Ｂを示す。図５に示すように、静電容量式センサ１Ｂは、ビーム部４を介して略対称に配置された検出部８Ａ、８Ｂの他に、検出部８Ａ側に検出部８Ｃを、検出部８Ｂ側に検出部８Ｄを備えた構成となっている。
【００３５】
検出部８Ｃ、８Ｄは、それぞれ、可動電極５の端部５ｃの左右両端に形成され、固定電極６に向けて伸びる検出可動電極５ａｓより中央に向けて分岐伸長された枝部５ｄ上に、形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａと、固定電極６の隅部６ｂに直接形成され櫛歯状の複数の検出固定電極６ａとからなる。なお、検出部８Ｃ、８Ｄを構成する検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａのそれぞれのピッチや長さ、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの間隙１０の大きさなどは全て上述した検出部８Ａ、８Ｂと同じであるため説明を省略する。
【００３６】
このように、検出部８Ａ、８Ｂに加えて検出部８Ｃ、８Ｄを設け、ビーム部４を介して略対称に配置させる櫛歯状の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの組み合わせである検出部８の数を複数個とすることで、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向面積の総面積が増加するため静電容量の検出感度を向上させることができる。
【００３７】
［ビーム部を４点支持とする構成］
上述した、図１に示した静電容量式センサ１Ａ、図５に示した静電容量式センサ１Ｂは、１対のビーム部４による２点支持にて可動電極５を可動支持していた。しかしながら、このように１対のビーム部４により可動電極５を２点支持した場合、物理量、例えば、加速度の印加により、図１、図５に示す紙面に向かって左回り、または右回りのθ回転をして、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の電極間ギャップを変位させてしまう可能性がある。このように電極間ギャップが変位してしまうと、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａの対向面積の大きさに応じて物理量を検出する当該静電容量式センサ１Ａ、１Ｂにおいては、検出感度を低下させてしまうことになる。
【００３８】
そこで、図６に示す、静電容量式センサ１Ｃのように、２対のビーム部４、つまりビーム部４Ａ、４Ｂと、ビーム部４Ｃ、４Ｄとで可動電極５を４点支持することで、電極間ギャップの変位を抑制させることができる。
【００３９】
図６に示すように、静電容量式センサ１Ｃは、図５を用いて説明した静電容量式センサ１Ｂの１対のビーム部４に代えて、２対のビーム部４であるビーム部４Ａ、４Ｂと、ビーム部４Ｃ、４Ｄとで可動電極５をフレーム部３に対して可動支持する構成となっている。図６に示すように、ビーム部４Ａ、４Ｂと、ビーム部４Ｃ、４Ｄという２対のビーム部４で、可動電極５を可動支持するに際し、検出部８Ａ、８Ｂは、可動電極５の中央部５ｂ内に内包されるように形成される。また、検出部８Ｃ、８Ｄの櫛歯状の複数の検出可動電極５ａは、可動電極５の中央部５ｂの固定電極６側の辺の略中央位置から左右に分岐伸長された各枝部５ｅ上に形成されることになる。
【００４０】
ビーム部４Ａ、４Ｂと、ビーム部４Ｃ、４Ｄは、一端をフレーム部３の長辺を略３等分した位置Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓにそれぞれ接続され、他端を可動電極５の中央部５ｂと、枝部５ｅとを接続する接続部５ｆに接続されることで可動電極５を４点支持する。
【００４１】
このように、可動電極５を４点支持することで、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の電極間ギャップの変位を抑制することができるため、静電容量の検出感度を大幅に向上させることができる。
【００４２】
（４点支持の別な構成）
また、可動電極５をビーム部４で４点支持する別な構成を図７に示す。図７に示す静電容量式センサ１Ｄでは、フレーム部３の長手方向の辺の略中央位置から左右に当該辺に沿いながら途中で１８０度折り曲げられように伸長された４本のビーム部４にて、可動電極５を４点支持している。各ビーム部４は、それぞれ可動電極５の中央部５ｇの四隅に接続されている。
【００４３】
図６に示す、静電容量式センサ１Ｄは、可動電極５の中央部５ｇの長手方向に伸びる辺の略中央位置より左右に伸長した４つの電極支持部５ｈ上に櫛歯状の複数の検出可動電極５ａが形成されている。これに対し、固定電極６の４つの隅部６ｆより可動電極５の中央部５ｇに向かって伸長した４つの電極支持部６ｅ上に櫛歯状の複数の検出固定電極６ａが形成されている。
【００４４】
これにより、櫛歯状の複数の検出可動電極５ａと検出固定電極６ａとの組み合わせである４つの検出部８Ｅ、８Ｆ、８Ｇ、８Ｈが構成されることになる。図７に示す固定電極６の４つの隅部６ｆの位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの絶縁層２０の表面２０ａ上には、図８に示すように、絶縁層２０に形成された貫通孔２４を介してそれぞれ電極部２３が形成される。
【００４５】
そして、図８に示すように、位置Ａ、Ｂ上に形成された電極部２３から取り出される電位を同電位とし、位置Ｃ、Ｄ上に形成された電極部２３から取り出される電位を同電位とし、さらに、各電極部２３から取り出した電位を、物理量を検出するための信号処理を実行する図示しない信号処理回路へと入力するよう絶縁層２０の表面２０ａ上に配線２５が形成される。
【００４６】
このように、可動電極５を４点支持することで、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の電極間ギャップの変位を抑制することができるため、静電容量の検出感度を大幅に向上させることができる。
【００４７】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について示す図である。
【図２】前記静電容量式センサを図１に示すＩ−Ｉ線で切断した様子について説明するための断面図である。
【図３】前記静電容量式センサの絶縁層上に電極部、配線を形成した様子を示した図である。
【図４】前記静電容量式センサの検出部の詳細な構成について説明するための図である。
【図５】前記静電容量式センサの検出部の数を複数個にした構成について説明するための図である。
【図６】前記静電容量式センサの可動電極を４点支持する構成の一例を示した図である。
【図７】前記静電容量式センサの可動電極を４点支持する構成の別な例を示した図である。
【図８】前記静電容量式センサにおいて可動電極を４点支持した場合に、絶縁層上に電極部、配線を形成した様子を示した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１Ａ  静電容量式センサ
１Ｂ  静電容量式センサ
１Ｃ  静電容量式センサ
１Ｄ  静電容量式センサ
２  半導体層
３  フレーム部
４  ビーム部
５  可動電極
５ａ  検出可動電極
６  固定電極
６ａ  検出固定電極
８  検出部
【図１】
2008292426.tif 000003
【図２】
2008292426.tif 000004
【図３】
2008292426.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008292426.tif 000007
【図６】
2008292426.tif 000008
【図７】
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【図８】
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