(57)【要約】【課題】大変位時の直線性悪化を減少させて高感度化し、かつダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】錘３の各一端にはそれぞれ、加速度検出方向（Ｘ方向）に変位可能なループ状の梁４−１、４−２と、梁４−１、４−２の変位範囲をそれぞれ規制するストッパ６−１、６−２が配列されて形成されている。梁４−１を規制するストッパ６−１は梁４−２により支持され、さらに、梁４−２は梁４−１に対してバネ定数が大きく設定されるように、加速度検出方向と直交する方向（Ｙ方向）に短く形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と対向する可動電極に連結され、加速度に応じて変位可能な第１の梁と、
前記第１の梁の変位量を規制する第１のストッパと、
前記第１のストッパを支持する第２の梁とを、
有する半導体加速度センサ。
【請求項２】
固定電極と対向する可動電極に連結され、加速度に応じて変位可能なループ状の第１の梁と、
前記第１の梁の変位量を規制する第１のストッパと、
前記ループ状の第１の梁の間に形成され、前記第１の梁とバネ定数が異なる第２の梁と、
前記第２の梁の変位量を規制する第２のストッパとを、
有する半導体加速度センサ。
【請求項３】
固定電極と対向する可動電極に連結され、加速度に応じて変位可能な梁と、
前記梁を第１、第２の変位位置でそれぞれ規制する第１、第２のストッパとを、
有する半導体加速度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体加速度センサにおいて、
前記第１の梁と第２の梁のばね定数が異なる半導体加速度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体加速度センサにおいて、
前記第２の梁の変位量を規制する、固定された第２のストッパを有する半導体加速度センサ。
【請求項６】
固定電極と対向する可動電極に連結され、加速度に応じて変位可能な第１の梁と、
前記第１の梁の変位量を規制する第１のストッパが第２の梁により支持される半導体加速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体加速度センサにおいて、
前記第２の梁の変位量を規制するストッパが第３の梁により支持され、前記第３の梁によるストッパを１個以上複数個有する半導体加速度センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体加速度センサにおいて、
前記第１のストッパの変位を規制する第２の固定されたストッパを有する加速度センサ。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体加速度センサにおいて、
複数個の梁により支持されたストッパの変位を規制する、固定されたストッパを有する加速度センサ。
【請求項１０】
固定電極と対向する可動電極に連結され、加速度に応じて変位可能な梁と、
前記梁を複数の位置でそれぞれ規制する複数個のストッパとを、
有する半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定電極と可動電極の間の容量に基づいて加速度を検出する半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の半導体加速度センサを示し、Ｓｉなどの半導体基板の半導体層に溝を形成することにより複数組の固定電極１（１−１、１−２）と可動電極２が加速度検出方向（Ｘ方向）に対向して容量を形成するように構成されている。可動電極２は、Ｘ方向に延びた錘３に対して±Ｙ方向に櫛歯状に複数組形成されている。また、錘３の両端にはＸ方向に変位可能なループ状の梁４が形成され、梁４の変位範囲はストッパ６により規制される。そして、可動電極２に対向するように±Ｙ方向にそれぞれ配列された各固定電極１−１、１−２はそれぞれＡｌなどのパッド５ａ、５ｂに接続され、可動電極２はパッド５ｃに接続されている。パッド５ａ、５ｂ、５ｃはワイヤボンディングなどにより不図示の回路チップなどの他のパッドを通して外部に接続される。
【０００３】
このような構成において、この半導体加速度センサにＸ方向の加速度が印加されると、梁４がＸ方向に変位することにより、固定電極１と可動電極２の間の各距離が変化して、固定電極１と可動電極２の間の容量が変化する。そこで、この発生した容量の変化を可動電極２から取り出して電圧に変換することにより、加速度を検出することができる。なお、この種の従来例としては、下記の特許文献１及び２に開示されているものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７７３４９５号公報
【特許文献２】
特開平１０−２８２１３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような容量式半導体加速度センサでは、図２において破線で示すように可動電極２の変位に伴うその出力の直線性が悪化する特性を有する。そのため、常用域の直線性を確保するために、バネ−マス系を設計して実用化している。このため、図２の横軸に示す加速度方向に広いダイナミックレンジを確保するのが困難であり、またダイナミックレンジを広く取ろうと設計する場合は、低加速度領域での電極間変位がわずかとなるため、感度が得られないという問題を生じる。このように従来の半導体加速度センサでは、ダイナミックレンジの確保と高感度化が両立せず、それぞれの加速度検出範囲において個別に設計する必要があった。
【０００６】
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、大変位時の直線性悪化を減少させて高感度化することができるとともに、ダイナミックレンジを拡大することができる半導体加速度センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、加速度に応じて変位する梁をバネ定数の異なる複数の梁で構成してそれぞれの変位量を各ストッパにより規制し、隣接する梁とストッパを連結するようにしたことを特徴とする。
上記構成により、隣接する梁とストッパを連結した複数の梁とストッパにより、大変位時の直線性悪化を減少させて高感度化することができるとともに、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
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は本発明に係る半導体加速度センサの第１の実施の形態を示す平面図、図２は本発明に係る半導体加速度センサと従来例の各センサの特性を比較して示すグラフである。
【０００９】
図１において、錘３の各一端にはそれぞれ、加速度検出方向（Ｘ方向）に変位可能なループ状の梁４−１、４−２と、梁４−１、４−２の変位範囲をそれぞれ規制するストッパ６−１、６−２が配列されて形成されている。梁４−１を規制するストッパ６−１は梁４−２により支持され、さらに、梁４−２は梁４−１に対してバネ定数が大きく設定されるように、加速度検出方向と直交する方向（Ｙ方向）に短く形成されている。他の構成部材である固定電極１（１−１、１−２）、可動電極２（２−１、２−２）、錘３などは従来例と同じであるのでその詳細な説明は省略する。
【００１０】
図１に示すような櫛歯状の２つの電極１、２を有する容量式加速度センサにおいて、可動電極２の変位は、梁４−１と錘３よりなるバネ−マス系により決められる。この構造に加速度が作用した場合、錘３に加速度が作用し生じる慣性力に対して、梁４−１のバネ力がつりあう状態が可動電極２の変位量となる。さらに、加速度の増加に比例して可動電極２の変位量が増加するが、ストッパ６−１に接触するまで可動電極２の変位量は梁４−１のバネ定数により決定される。
【００１１】
ここで、梁４−１を規制するストッパ６−１は梁４−２により支持され、さらに、梁４−２は梁４−１に対してバネ定数が大きく設定されているので、これにより、ストッパ６−１に梁４−１が接触した後も更に錘３は変位することができるが、その変位は、梁４−２のバネ定数により決定されるため、加速度の増加に対する錘３の変位量は梁４−１よりも減少させることができ、加速度の変化量に対する梁４−１の変位量を抑え、高加速度領域まで電極１、２の接触を避けることが可能となる。これによりダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１２】
図２に本発明の実施の形態における加速度変化に対する容量値変化を実線で示す。ここで、破線で示す従来例の場合、加速度の増加に対して、容量値としての出力が急激に増加し、その上昇カーブの曲がりが大きくなるのが分かるが、実線で示す本発明では、容量値が大きくなる前にストッパ６−１に接触させ、梁４−２を用いて変位させることで、加速度の検出範囲が拡大でき、出力を示すカーブの曲がりが大きくなる領域を高加速度側に移動させることができる。
【００１３】
＜第２の実施の形態＞
上述の梁とストッパの構造は特に２段ではなく、図３に示すように異なったばね定数を持つ梁を３以上の複数個多段に並べることにより、その変化点を３以上の複数とすることも可能である。ここで、図３では一例として、第１の実施の形態と同様に、梁４−１を規制するストッパ６−１は梁４−２により支持され、梁４−２は梁４−１よりバネ定数が大きく設定されている。第２の実施の形態ではさらに、梁４−２を規制するストッパ６−２は梁４−３により支持され、梁４−３は梁４−２よりバネ定数が大きく設定され、梁４−３を規制するストッパ６−３は梁４−４により支持され、梁４−４は梁４−３よりバネ定数が大きく設定され、梁４−４を規制するストッパ６−４は梁４−５により支持され、梁４−５は梁４−４よりバネ定数が大きく設定されている。
【００１４】
＜第３の実施の形態＞
また、図４に示すように、別構造の梁４−２を形成し、その先端のストッパ６−２が梁４−１に接触することで全体のばね定数を変化させてもよい。ここで、図４では一例として、ループ状の梁４−１の間に、梁４−１よりバネ定数が大きい梁４−２が形成され、梁４−２を規制するストッパ６−２は梁４−１に当接するように梁４−２と一体で形成されている。
【００１５】
この場合、梁４−１、４−２を別構造とすることで、電位を分けることができ、ここでの接触によりスイッチの効果を持たせることも可能である。これにより、その特性の変化点でスイッチとしての機能を使用し、信号処理回路のゲインやフィルタ特性を切り替えたり、加速度に応じた信号特性に切り替えることもできる。
【００１６】
＜第４の実施の形態＞
さらに、図５においては設けられた１つの梁４に対して、ストッパ６−１に加えて、梁４の変位量の中間位置にストッパ６−２を設けることにより、接触したときの梁４の支点を変化させることができる。これにより、梁４の長さを変化させたのと同様な効果が得られ、図１の構造と同様な効果を得ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体加速度センサの第１の実施の形態を示す平面図である。
【図２】本発明に係る半導体加速度センサと従来例の各センサの特性を比較して示すグラフである。
【図３】第２の実施の形態の半導体加速度センサを示す平面図である。
【図４】第３の実施の形態の半導体加速度センサを示す平面図である。
【図５】第４の実施の形態の半導体加速度センサを示す平面図である。
【図６】従来の半導体加速度センサを示す平面図である。
【符号の説明】
１、１−１、１−２  固定電極
２、２−１、２−２  可動電極
３  錘
４、４−１、４−２、４−３、４−４、４−５  梁
５ａ、５ｂ、５ｃ  パッド
６、６−１、６−２、６−３、６−４、６−５  ストッパ
【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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