(57)【要約】【課題】  容量型慣性力検出装置の感度とＳＮ比を向上させること【解決手段】  センサ素子の変位部を、基板に固定された一対の梁により宙支され慣性力の方向に変位可能な可動質量体で構成する。変位部の変位を検出する検出部を１対以上とし、かつ変位部との間のギャップを変更可能に検出部を基板上に配設する。検出部は駆動部と、可動質量体と対向する一対の検出電極を有している。駆動部により、検出電極と可動質量体との間のギャップを変更することができるので、検出装置の感度を広い範囲で変化させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性力により生じたセンサ素子の容量変化を検出する容量型慣性力検出装置であって、
上記センサ素子が、基板と、該基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコン構造体と、から成り、
該シリコン構造体は、変位部と該変位部の変位量を検出する１対以上の検出部とを備え、
上記変位部が、慣性力の方向に変位可能な可動質量体と、該可動質量体に連接され可動質量体を上記空隙部の上に宙支する一対の梁と、該梁を支持し上記基板に接合された一対のアンカーと、を有する一方、
上記の一対の検出部は上記変位部と対向する一対の検出電極を有し、該検出電極が上記変位部との間のギャップを変更可能に上記基板上に配設されて成る容量型慣性力検出装置。
【請求項２】
上記センサ素子が複数対の検出部を有し、該複数対の検出部の少なくとも１対の検出部の検出電極を残部の検出部の検出電極よりも狭ギャップのダンパ部となし、該ダンパ部は残部の検出電極が変位部に当接するに先立って、変位部に接触する請求項１記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項３】
上記センサ素子が複数対の検出部により設定される複数の測定レンジを有するものであって、
上記センサ素子の出力電圧と上記測定レンジを規定する閾値電圧とを比較し、その比較結果に基いて一の測定レンジを選択する自動レンジ切替機構を有する請求項１又は２に記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項４】
上記センサ素子が、１対の検出部の検出電極のギャップを段階的に変更することにより設定される複数の測定レンジを有するものであって、
上記センサ素子の出力電圧と上記測定レンジを規定する閾値電圧とを比較し、その比較結果に基いてギャップを変更して測定レンジを切替える自動レンジ切替機構を有する請求項１記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項５】
上記検出部は、検出電極を上記変位部に接近又は離間させるように移動させる駆動部を有し、該駆動部は上記検出電極に絶縁層を介して接合されてなる請求項１から４のいずれか１つに記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項６】
上記駆動部が、上記基板に固着された一対の固定電極と、該固定電極との間の静電力により変位する駆動電極とからなる請求項５記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項７】
変位後の上記可動質量体と上記検出電極との間のギャップを、予め設定した変位前の値に戻すように上記駆動部に電圧を印加して上記検出電極を移動させるフィードバック機構を有する請求項５又は６に記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項８】
上記可動質量体の変位を静電力により打ち消すように、上記検出電極と上記可動質量体との間の電位差を変化させるフィードバック機構を有する請求項５又は６に記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項９】
上記検出電極と上記可動質量体との間の一対のギャップの値を一致させるように上記駆動部に電圧を印加して、温度変化により発生する検出出力のゼロ点ドリフトおよび感度ドリフトを補償するドリフト補償機構を有する請求項５から８のいずれか一つに記載の容量型慣性力検出装置。
【請求項１０】
上記センサ素子の容量変化を電圧に変換するＣ−Ｖ変換器を有し、該Ｃ−Ｖ変換器は一対の検出電極と可動質量体との間に形成される一対のコンデンサに同量の電荷を蓄積させる請求項１から９のいずれか１つに記載の容量型慣性力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性力検出装置に関し、さらに詳しくはコンデンサの容量の変化を検出することで、加速度又は角速度を検出する容量型慣性力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の容量型のセンサ素子は、梁で支持された可動質量体と、その可動質量体と差動容量を形成する一対の検出電極とから成る構造体を基板上に有している。検出電極は基板上に固定されており、測定前、すなわち入力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る。加速度が働き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変換器（Ｃ−Ｖ変換回路）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センサ出力信号が得られる構成になっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、容量型サーボ方式のセンサ素子の場合、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る（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−３２０９０号公報
【特許文献２】特開平１１−３２６４０９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の出力感度（単位慣性力に対する）は、基本的に、初期ギャップｇｏに対する単位慣性力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。このため検出電極が基板に固定されている従来のセンサ素子では、感度を増減させるには、単位慣性力当たりに発生する可動質量体の変位ｕを大きく又は小さくする必要がある。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  ）を調整することに対応する。しかし、これは、個々の要求感度に応じて、センサの構造設計を行い、対応する固有角周波数を有するセンサ素子を別個に製造する必要があることを意味し、製造コストの増加をもたらすという問題があった。また、共振角周波数は、センサの有効検出周波数（バンド幅、帯域）を決定するパラメータであり、共振角周波数を小さくして感度を向上させると、バンド幅が狭くなり、センサ感度とのトレードオフの関係にあるという問題もあった。
【０００５】
また、単に初期ギャップを小さくすることでも、感度を向上させることは可能である。しかし、実現可能なギャップｇｏと構造体の厚みＨの比（アスペクト比：Ｈ／ｇｏ）におのずと製造上の制限があるため、その制限以下のギャップにすることができず、感度向上に限界があるという問題もあった。
【０００６】
また、一般的に、容量変化を検出する回路構成にも依存するが、検出のためのドライブ電圧差（可動質量体と検出電極との電圧差）によって、可動質量体と検出電極との間（電極間）の張り付き（プルイン現象）が発生する場合がある。この電極間のプルイン閾値電圧Ｖｔｈは、電極間ギャップと可動質量体を支持する梁のばね定数に依存する。そのため、ギャップを小さくすることで、プルイン電圧が低くなり、張り付き易くなるといった問題もあった。
【０００７】
図３４は、プルイン閾値電圧Ｖｔｈと電極間ギャップｇｏの関係を示すシミュレーションの結果の一例である。本例では、表１に示す条件で、平行平板の電極間ギャップｇｏをパラメータとして、プルイン閾値電圧Ｖｔｈを求めた。本例では、センサ素子の主軸変位方向（ｙ方向）の共振周波数は約６．９ＫＨｚ、初期ギャップｇｏが５μｍ時の初期容量Ｃｏ（Ｃ１＝Ｃ２）は１．８７ｐＦである。なお、プルイン閾値電圧Ｖｔｈは次式で表される。
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図３４に示す様に、初期に於いて例えばｇｏ＝５μｍの場合のＶｔｈは、約４．９５Ｖであるが、１μｍの場合には０．４４Ｖまで低下し、０．１μｍ（１００ｎｍ）の場合には、０．０１４Ｖまで低下する様子がわかる。
表１  典型的なセンサ構造体
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本例の結果から明らかなように、感度を向上させるため、特にギャップｇｏを小さく設定する場合には、張り付きを防止するためドライブ電圧差を極めて低くする必要が生じ、その結果、きわめて電気的検出感度が下がってしまうという問題もあった。
【０００８】
一方、電気的な増幅により感度を増減させることは、抵抗値の選択によりＯＰアンプの増幅ゲインを増減させることで比較的簡単に実施可能である。しかし、ノイズも同様に増減されるため、基本的にＳＮ比（感度とノイズの比）を向上させることができない。そのため、有効検出周波数を所定の設計値に維持したまま、感度を増大させ、かつＳＮ比をその感度上昇比に比例して向上させることは、基本的に不可能であるという問題もあった。
【０００９】
また、ｍＧやμＧオーダの微小な加速度を測定できるセンサは、非常に感度が高いため、測定対象物にセンサを設置する時の衝撃で、センサを損傷することや電極同志の張り付き（スティック）が発生し、センサに機能障害が発生するという問題もあった。
【００１０】
また、検出電極が固定されているため、可動質量体が慣性力によって変位する場合に、いずれか一方の検出電極側とのギャップが小さくなるため、初期ギャップに対して変位後のギャップが著しく小さくなる場合（変位率が大きくなる場合）においては、センサ出力の非線形性が大きくなってしまうという問題もあった。
【００１１】
また、入力加速度が時々刻々変化するような場合、最大加速度を想定し、その最大加速度を測定できるレンジの加速度センサを利用する必要がある。しかし、そのためには、その最大値より低い加速度での測定精度を犠牲にせざるを得ないという問題があった。さらに、予想した加速度レンジを上回る加速度が入力された場合は、電極同士の衝突によりセンサの機能障害が発生（電極破損など）するという問題もあった。
【００１２】
さらに一方で、サーボ方式の加速度センサは、構造体の共振角周波数を低周波化することで感度を向上させているが、低周波化に伴って発生するバンド幅の低下や可動質量体の電極変位の増大を、電気的ばね定数の増大させることにより静電力を増大させて抑制している。したがって、サーボ方式のセンサでは、バンド幅を広げ、センサ出力の線形性向上を図るために、電気的ばね定数を大きく設定する必要がある。電気的ばね定数を大きくするためには、電極間電位差を大きくする必要がある。しかし、電極間電位差は、サーボ方式の回路の電源に依存するため、高感度化、バンド幅向上およびセンサ出力の線形性向上はサーボ方式の回路の電源の上限値により制限されるという問題もあった。一方で、電極間ギャップを小さくすることで、電気的ばね定数を大きくすることができるが、製造上の制約の範囲内でしか小さく設定できないといった問題点もあった。
【００１３】
さらに、慣性力検出装置の検出電極や可動電極は、通常、少なくとも１つの電気的な絶縁を有した基板上に形成（接合）されているため、材料の熱線膨張係数の違いや接合の際に発生したひずみを有するため、センサ素子が温度変化を受けた場合に、可動電極と検出電極間の距離が変化し、またその変化量もばらつき、その結果、電極間形成容量の温度依存性を持つため、センサのゼロ点出力（オフセット出力）や感度が変動するという問題点もあった。
【００１４】
さらに、容量検出型の慣性力検出装置に於いて、中でも容量検出型の振動型ジャイロは、その原理として回転質量に発生するコリオリ力により生じた可動質量体変位を固定電極と可動質量体（可動電極）間で形成される容量の変化で検出する方式であるが、前述した加速度センサの場合と同様の理由により、変位率すなわち感度を向上させることが比較的難しいという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明の検出装置は、慣性力により生じたセンサ素子の容量変化を検出する容量型慣性力検出装置であって、上記センサ素子が、基板と、該基板との間に空隙部を設けて接合された構造体と、から成り、該構造体は、変位部と該変位部の変位量を検出する１対以上の検出部とを備え、上記変位部が、慣性力の方向に変位可能な可動質量体と、該可動質量体に連接され可動質量体を上記空隙部の上に宙支する一対の梁と、該梁を支持し上記基板に接合された一対のアンカーとを有する一方、上記の一対の検出部は上記変位部と対向する一対の検出電極を有し、該検出電極が上記変位部との間のギャップを変更可能に上記基板上に支持梁とアンカーを通じて宙支されており、上記検出部は、上記検出電極を上記変位部に対して接近又は離間させるように移動させる駆動部を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る検出装置は、検出電極が可動質量体との間のギャップを変更可能に基板に配設されているので、初期ギャップｇｏを自由に変更することができる。これにより、設計変更することなく一つのセンサ構造で幅広くセンサ感度を変化させることができる。さらに、電気的な増幅によらないで感度を上昇させることができるので、センサのＳＮ比を感度上昇の比に比例して大きくすることができる。また、初期ギャップを小さくすることで初期容量を大きくすることが出来るため、誤差要因となる潜在的な浮遊容量の影響を小さくすることが可能であり、センサのノイズや出力の非線形性を小さくすることができる。さらに、可動質量体とこれを支持する梁のばね定数とで決定される共振角周波数は基本的に変化しないため、センサの検出周波数帯域は基本的に変化（劣化）しないという効果が得られる。
【００１７】
さらに、センサの感度を、測定したい対象物に設置前は初期ギャップを大きくして感度を下げておき、設置後、非接触で検出電極を移動させてギャップを調整することにより感度を向上させることができる。これにより、設置後、ｍＧ、μＧといった微少な加速度を測定できるように感度調整すれば良いため、設置時の衝撃によりセンサの機能障害が生じることを防止するという効果も有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、センサ素子の変位部を、基板に固定された一対の梁により宙支され慣性力の方向に変位可能な可動質量体で構成する一方、変位部の変位を検出する検出部を１対以上とし、かつ変位部との間のギャップを変更可能に検出部を基板上に配設するようにしたので、検出電極と可動質量体との間の初期ギャップを自由に設定することができる。これにより、感度およびＳＮ比を向上させることができ、またセンサの温度依存性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る容量型慣性力検出装置に用いるセンサ素子の構造を示す模式平面図である。図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は図１のＣ−Ｃ線断面図、そして図５は図１のＤ−Ｄ線断面図である。
図１に示すように、センサ素子は、例えば表面に電気絶縁層を有する基板１０と、その上面に配置された変位部２と一対の検出部７Ａ，７Ｂと、からなり、変位部２はその一対の検出部７Ａ，７Ｂと所定ギャップで離間して対向配置されている。なお、基板１０には、表面に、例えば酸化膜や窒化膜等を有するシリコン基板や、ガラス板等の電気絶縁基板を用いることができる。
【００２０】
変位部２は、図２にも示すように、慣性力の方向に変位可能な可動質量体２１と、その可動質量体２１に連接され可動質量体２１を空隙部１１の上に宙支する一対の梁２２，２２を支持し上記基板１０に接合された一対のアンカー２３，２３と、その一方のアンカーの表面に形成された端子２４と、を有している。なお、本実施の形態においては、可動質量体２１は梁２２のｙ軸方向曲げ弾性によりｙ軸方向に慣性力に応じて変位可能な構成となっている。
【００２１】
次に、一対の検出部７Ａ，７Ｂの構成について、検出部７Ａを例にとり説明する。検出部７Ａは、絶縁層４Ａを介して接合された検出電極部３Ａと駆動部５Ａとを有している。ここで、検出電極部３Ａは対向する一対の側面を有し、一方の側面を電気絶縁層４Ａに接合する一方、他方の側面を可動質量体２１の側面と対向するように所定のギャップｇｏで離間配置されている。また、検出電極部３Ａは図３にも示すように、慣性力の方向に変位可能な検出電極３１ａと、その検出電極３１ａに連接され検出電極３１ａを空隙部１１の上に宙支する一対の梁３２ａ，３２ａを支持し基板１０に接合された一対のアンカー３３ａ，３３ａと、その一方のアンカーの表面に形成された端子３４ａと、を有している。また、駆動部５Ａは、図５にも示すように、基板１０上に並列配置されて固定された一対の固定電極５５ａ，５６ａと、その固定電極５５ａ，５６ａの周囲を包囲し基板１０の上面の水平方向に移動可能な駆動電極５１ａと、その駆動電極５１ａに連接され駆動電極５１ａを空隙部１１の上に宙支する一対の梁５２ａ，５２ａを支持し基板１０に接合された一対のアンカー５３ａ，５３ａとを有し、その一方のアンカーの表面に形成された端子５４ａを有し、固定電極５５ａ，５６ａの表面には、それぞれ端子５７ａ，５８ａが形成されている。
【００２２】
なお、検出電極は駆動電極と電気的に絶縁する必要があり、これは以下の理由による。駆動電極は自身の物理的変位により、検出電極と可動質量体との間のギャップの制御を行なう。そのため、駆動電極と検出電極は一体的に変位する構造を有することが好ましい。しかし、検出電極が差動容量検出回路に接続された場合、検出電極が一定の電位に固定されるケースは少ない（例えば、図９に示す回路では固定電位とならない）。一方、駆動電極の電位は、並列配置された一対の固定電極との電位差を所望の値に保ち、ＤＣ的に安定な変位を実現するために、所望の電位（またはＧｎｄ電位）に固定する必要がある。したがって、検出電極と駆動電極にそれぞれの機能を果たすように動作させるためには、検出電極と駆動電極とを電気的に分離する必要がある。
【００２３】
図６は、本実施の形態の検出装置に用いるセンサ素子の電気的な等価回路を示すものである。等価回路は、差動容量検出部８０と検出感度設定部８１とで構成されている。差動容量検出部８０は、可動質量体２１と一方の検出電極３１ａとの間で形成される容量Ｃ１のコンデンサ６０と、可動質量体２１と他方の検出電極３１ｂとの間で形成される容量Ｃ２のコンデンサ６１とで構成され、可動質量体２１と一対の検出電極３１ａ，３１ｂは、それぞれ端子２４，３４ａ，３４ｂを有している。
【００２４】
一方、検出感度設定部８１は、一方の検出部７Ａの検出電極３１ａと電気絶縁層４Ａ及び駆動部５Ａとにより形成される容量Ｃｉ１を有するコンデンサ６６と、他方の検出部７Ｂの検出電極３１ｂと電気絶縁層４Ｂ及び駆動部５Ｂとにより形成される容量Ｃｉ２を有するコンデンサ６７と、一方の検出部７Ａの固定電極５５ａ，５６ａと駆動電極５１ａとの間に形成される、それぞれ容量Ｃ１ｂ，Ｃ１ａを有するコンデンサ６２，６３と、他方の検出部７Ｂの固定電極５５ｂ，５６ｂと駆動電極５１ｂとの間に形成される、それぞれ容量Ｃ２ａ，Ｃ２ｂを有するコンデンサ６４，６５とで構成されている。駆動部５Ａのアンカー５３ａには端子５４ａ、及び固定電極５５ａ，５６ａにはそれぞれ端子５７ａ，５８ａ、そして駆動部５Ｂのアンカー５３ｂには端子５４ｂ、及び固定電極５５ｂ，５６ｂにはそれぞれ端子５７ｂ，５８ｂが形成されており、後続回路や電源に電気的に接続される。
【００２５】
次に、本実施の形態に係るセンサ素子の製造方法について、図７及び８の模式断面図を用いて説明する。図７及び８は、図１のＥ-Ｅ線断面に相当する断面図である。まず、基板には、表面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９２と、その下に膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜９１を有したＳＯＩ基板（Silicon On Insulator））を用いている（図７（ａ））。また、シリコン活性層９２の上面には膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜９３が形成されている。
【００２６】
次に、図１に於ける電気的絶縁膜４Ａの領域を形成するため、フォトリソグラフィー又はウエットエッチングによりシリコン酸化膜９３の一部を除去し、次いでその下層のシリコン活性層９２をＩＣＰ-ＲＩＥ(Inductive coupled Reactive Ion Etching)等を用いてエッチングしてトレンチ９４を形成する（図７（ｂ））。次に、トレンチ９４及びシリコン酸化膜９３の全面にＬＰＣＶＤ法により膜厚２５００Å程度の窒化膜９５を形成する（図７（ｃ））。次に、その窒化膜９５の全面にポリシリコン膜９６をＬＰＣＶＤ法により形成し、トレンチ９４をポリシリコンにより埋める（図７（ｄ））。
【００２７】
次に、トレンチ９４を埋めるポリシリコン部９７以外のポリシリコン膜９６をＣＭＰ（Chem-mechanical polishing）法により除去し（図７（ｅ））、次いで、ポリシリコン部の表面を熱酸化してシリコン酸化膜９８を形成した後、ポリシリコン部９７の底面及び側面を覆うポリシリコン用保護部９５ａのみを残して窒化膜９５をＲＩＥ法等により除去する（図８（ｆ））。次に、電気的コンタクトのため、シリコン酸化膜９３の一部を除去して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１００を形成する一方、シリコン構造体形成のため、所望の形状に酸化膜９３をパターニングして、エッチングする（図８(ｇ)）。次に、ＩＣＰ-ＲＩＥ法によりシリコン活性層９２を所定パターンにエッチングする（図８（ｈ））。次に、フッ酸等を用いるウエットエッチングによりアンカーの下部を構成するアンカー用シリコン酸化膜１０３のみを残して、シリコン酸化膜９１を除去する。ここで、エッチングの終了時間を制御して、アンカー用シリコン酸化膜１０３のみを残す。これにより、アンカー下部を構成するアンカー用シリコン酸化膜１０３とアンカー上部を構成するアンカー用シリコン膜１０２とから成るアンカー部１０１と、そのアンカー部１０１に支持される駆動部の梁１０４、その梁１０４に連接する駆動部の駆動電極１０５と、その駆動電極に接する、ポリシリコン部９７とそのポリシリコン部の上面以外を覆うポリシリコン用保護部９５ａとから成る電気絶縁層１０７と、その電気絶縁層１０７に接する検出電極１０６と、ギャップｇｏで離間して対向配置された可動質量体１０８とを有するシリコン構造体を形成するとともに、シリコン構造体を可動とする。
【００２８】
次に、本実施の形態の検出装置に用いるセンサ素子の基本動作について説明する。
可動質量体の＋ｙ方向に慣性力が加わり、＋ｙ方向に変位ｕが発生すると、検出容量Ｃ１と検出容量Ｃ２は近似的に以下のように変化する。
Ｃ１=Ｃ０／（１−ｕ／ｇo）、Ｃ２=Ｃ０／（１＋ｕ／ｇo）    （２）
ここで、Ｃ０は可動質量体の変位が生じない場合の容量であり、可動質量体と検出電極間のギャップｇｏ、対向面積Ｓ、誘電率εを用いて近似的に、
Ｃｏ＝εＳ／ｇｏ                                            （３）
で表される。
【００２９】
この変位ｕに伴う容量変化を、例えば特許第３１２５６７５号公報に記載されている差動容量検出回路（Ｃ-Ｖ変換器）（図９に示す）を利用することで、以下に示す電圧出力Ｖｏｕｔを得ることができる。
すなわち、図９に示す回路は、センサ素子１１５、ＯＰアンプＡ１、フィードバック兼サンプリング用コンデンサ１１３（容量Ｃ３）、及びホールド用コンデンサ１１４（容量Ｃ４）を有している。１個のＯＰアンプＡ１、フィードバック兼サンプリング用コンデンサ１１３、及びホールド用コンデンサ１１４でスイッチトキャパシタ回路及び電圧ホールド兼フィードバック回路１１６を構成している。
【００３０】
図１０のクロックψ１のタイミングでフィードバック兼サンプリング用コンデンサ１１３は、ＯＰアンプの入力オフセット電圧Ｖｏｓによって電荷Ｑ３が蓄積される。一方、センサ素子１１５を構成するコンデンサ１１１，１１２には、それぞれ電荷Ｑ１，Ｑ２が蓄積される。
Ｑ１＝［Ｖｓ-（Ｖｏｓ+Ｖｍ）］・Ｃ１
Ｑ２＝（Ｖｏｓ+Ｖｍ）・Ｃ２ 
Ｑ３＝Ｖｏｓ・Ｃ３                                          （４）
ここで、Ｖｍはあるサンプリング時のクロックψ１におけるＯＰアンプ反転入力端子の電位を意味し、Ｖｓは入力電源電圧を示す。
【００３１】
クロックψ２のタイミングにおいて、コンデンサ１１１とコンデンサ１１２に蓄積された電荷の差△Ｑを、コンデンサ１１３とコンデンサ１１１，１１２との結合容量の和Ｃ１+Ｃ２+Ｃ３として電位差△Ｖに変換する。この時、ＯＰアンプ出力端はクロックψ２と同時タイミングにてＯＰアンプ非反転入力端子に接続されるため、電位差△Ｖは反転、非反転間の電位差としてＯＰアンプに与えられる。これにより、ＯＰアンプの出力は、電位差△Ｖの符号に応じて上下する。そして、コンデンサ１１４には、Ｖｏｕｔの電位に応じてＯＰアンプから電荷が流入あるいは流出し、クロックψ１のタイミングでは、コンデンサ１１４の端子間電圧は、クロックψ２がローに切替わる直前の電位を保持している。このような動作を繰返すことにより、ＯＰアンプの出力は、コンデンサ１１１と１１２が同電荷を蓄積するような一定電圧Ｖｏｕｔをとる。
このため、
Ｖｓ＝（Ｑ１-Ｑ２+Ｑ３）/（Ｃ１+Ｃ２+Ｃ３）           （５）
が成立し、式（４）を式（５）に代入し整理すると、
Ｖｏｕｔ＝［Ｃ１/（Ｃ１+Ｃ２）］・Ｖｓ                （６）
となる。式（６）に式（２）を代入し整理すると、
Ｖｏｕｔ＝（１＋ｕ／ｇｏ）・Ｖｓ／２                      （７）
となる。ここで、Ｖｓは、検出回路ドライブ電圧である。
【００３２】
さらに、慣性力としてＤＣ加速度Ａが可動質量体に加わった場合の可動質量体の変位ｕは、
ｕ＝ＭＡ／Ｋ                                                （８）
で表され、単位慣性力当たりのセンサ出力感度Ｓｔは、以下の式で表される。
Ｓｔ＝ＭＶｓ／（２ｇｏＫ）＝Ｖｓ／（２ｇｏω２）            （９）
ここでＫはスプリング（梁）のばね定数、Ｍは可動質量体の質量である。
【００３３】
したがって、感度Ｓｔを向上させるためには、振動系の共振角周波数ω２（＝Ｋ／Ｍ）を小さくするか、ギャップｇｏを小さくするか、または検出回路ドライブ電圧Ｖｓを大きくするかの３つの方法が考えられる。
【００３４】
従来のセンサ素子の設計に於いては、検出回路ドライブ電圧の設計余裕はそれほど大きくないため、共振角周波数ω２を小さくすることによって、センサの出力感度を向上させることがよく行われている。しかし、共振角周波数を小さくすると、共振角周波数によりセンサの有効周波数範囲（バンド幅、帯域）が制限されるため、センサの出力感度と帯域は、トレードオフの関係にあった。しかし、本実施の形態の検出装置に用いるセンサ素子は、ギャップｇｏの値を変更することが可能であり、これによりセンサの出力感度を向上させることができるため、センサ出力のバンド幅が基本的に制限されることがない。
【００３５】
また、本実施の形態では、従来容量型加速度センサでの課題であった測定可能な上限周波数とＳＮ比の関係が大きく改善される。測定可能な上限周波数は、可動質量Ｍとこれを支持する梁のばね定数で決まる振動系の共振周波数で制限される。しかし、本実施の形態では、共振周波数を大きくとる、つまり有効周波数範囲を大きく取ることが可能となる。感度は、（９）式に従い角共振周波数ωの自乗に反比例して低下する。しかし、ギャップの可変機能を利用してギャップｇを小さくすることで、感度低減をなくすもしくは抑制することが可能となる。これにより、従来容量型のセンサでは困難とされていた周波数領域まで測定が可能となる。
【００３６】
次に、このギャップｇｏを変更するための機構について説明する。
差動容量検出回路への電圧の印可方法は、例えば特許第３１２５６７５号公報に記載の方法を用いることができる。図１１には、図９の等価回路を利用して、検出ギャップ設定部８１の端子５７ａ，５７ｂ、５８ａ，５８ｂに加える電圧を記載している。図１２は、検出部３Ａ，３Ｂを可動質量体２１に接近させた時のセンサ素子１の状態を示す模式平面図、そして図１３は、図１のＡ-Ａ線模式断面図である。
【００３７】
この例では、駆動部５Ａと５Ｂのそれぞれの端子５４ａと５４ｂを電気的Ｇｎｄ（接地）に接続し、固定電極５６ａと５６ｂにそれぞれ接続する端子５７ａと５７ｂをＧｎｄに接続し、固定電極５５ａと５５ｂにそれぞれ接続する端子５８ａと５８ｂを、電圧源Ｖ１に接続する。この結果、電位差Ｖ１と、固定電極５５ａと駆動電極５１ａとの間のエアギャップ容量Ｃ１ａに依存する静電引力が固定電極５５ａと駆動電極５１ａとの間に働き、検出部３Ａが可動質量体２１に接近する方向にｕａだけ変位することになる。また、検出部３Ｂについても同様の機構により可動質量体２１に接近する方向にｕａだけ変位することになる。これにより、可動質量体２１と検出電極３１ａ，３１ｂとの間のギャップは、初期状態のｇｏから、ｕａだけ小さいｇ１にそれぞれ変化する。
結果として、本センサ素子の出力電圧Ｖｏｕｔ´は、
Ｖｏｕｔ´＝（１＋ｕ／ｇ1）・Ｖｓ／２                       （１０）
で表される。また、センサの感度Ｓｔ´は、
Ｓｔ´=Ｖｓ／（２ｇ１ω２）                                 （１１）
で表される。したがって、検出部の移動前後のセンサの感度比は
Ｓｔ´/Ｓｔ=ｇｏ／ｇ１                                      （１２）
となり、ｇ１を小さくすれば感度を向上できることがわかる。
【００３８】
図１４に、センサ出力と入力加速度の関係の一例を示す。ここでは、検出部を移動させ、検出電極と可動質量体との間の初期ギャップをｇａ，ｇｂ，ｇｃの３段階に変化させている。各ギャップにおけるセンサ出力と入力加速度との関係は直線で与えられ、その直線の勾配がセンサの感度を与える。なお、ギャップ間の大小関係は、ｇａ＞ｇｂ＞ｇｃであり、初期ギャップｇａ，ｇｂ，ｇｃに対応するセンサの感度をＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３とする。図１４の結果から明らかなように、初期ギャップが小さいｇｃの場合の感度が最も大きい。一方で、センサ出力の総合的ノイズ幅Ｎは、ブローニアンノイズを無視した場合、初期ギャップの大きさに関係なく一定であり、図中の斜線の領域で表される。したがって、検出部を移動させて、初期ギャップの小さい構造とすることにより、センサのＳＮ比を向上させることができる。
【００３９】
また、一般的に、センサのノイズを増大させ、また精度を悪化させる原因としては、各電極間や、電気的接続のための配線間や（リードやワイヤボンドやパッド）、検出回路の入力容量などで発生する浮遊容量が、センサの初期容量Ｃｏに比較して無視できない場合がある。しかし、初期ギャップを小さくすると、式（３）から明らかなように初期容量Ｃ０を大きくすることができる。これにより、浮遊容量の影響を小さくすることができ、ノイズを低減し、かつ精度を向上させることも可能となる。
【００４０】
なお、差動容量検出回路としては、可動質量体の変位を計測し、電圧（電気的）出力に変換する機能を有するものであれば良い。特に、図９に示したＣ−Ｖ変換器は、検出電極と可動質量体との間で形成される検出容量Ｃ１，Ｃ２に共に同等の電荷が蓄積されるように可動電極の電位が決まる方式であり、各電極間に発生する静電引力の差を比較的小さくできる方式である。このため、移動可能な検出部と図１１の電荷バランス方式のＣ−Ｖ変換器を組合せることで、感度を向上させるために初期ギャップを極めて小さくした場合においても、プルイン現象が発生しにくいという顕著な効果を有している。
なお、電荷バランス方式のＣ-Ｖ変換器は、図９に示した変換器に限定されない。可動質量体と検出電極との間に同等の電荷が蓄積される方式であればよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、検出部を移動させて初期ギャップを大きくすることもできる。例えば、数ｍＧや数μＧレベルの微少な加速度を計測する場合においては、センサの対象物への取り付けの際に発生する過大衝撃Ｇによるセンサの破損やセンサの機能障害が問題となる。このような場合、センサ対象物への取り付け時には、初期ギャップを大きくすることで設定感度を低く設定する。そして、微少加速度を測定する際には、電気的に初期ギャップを小さくして、検出感度を非接触で電気的な外部操作で向上させる。これにより、センサ取り付け時の過大な衝撃Ｇによるセンサの破損やセンサの機能障害を防止することができる。
【００４２】
初期ギャップを大きくする場合（感度を低下させる）、例えば、以下の方法を用いることができる。感度を低下させる場合、図９で示した固定電極に印可する電位を逆に設定する。つまり、端子５８ａ，５８ｂをＧｎｄ電位に設定し、端子５７ａ，５７ｂを電位Ｖ１に設定することで、検出部３Ａ，３Ｂは可動質量体２１から離れるｙ方向に変位する。これにより、初期ギャップｇ０はｕｂだけ増加し、ｇ２＞ｇｏとなり、初期ギャップｇ０の場合の感度よりもセンサ感度を低下させることができ、入力加速度レンジを広くすることができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、一例として固定電極に対する印加電圧として、電位Ｖ１やＧｎｄ（接地）電位の組み合わせを利用しているが、これらを限定するものではなく各駆動部の電位と各固定電極電位の所望の組合せにより、総合的に発生する静電引力を制御することにより、検出電極と可動質量体のギャップを所望の値に制御することができる。
【００４４】
次に、センサ感度の校正方法と各固定電極に加える電圧の調整手段の一例について説明する。センサ感度の校正は、一対の検出電極と可動質量体との間で形成される一対のギャップの値を電気的に一致させる操作である。センサのゼロ点出力（オフセット出力）は、慣性力が作用しない場合は、可動質量体の変位量ｕが０であるため、理想的には式（１）及び（２）から、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ／２が成立する。
本実施の形態では、例えば、センサ素子の駆動部５Ａの一方の固定電極５５ａに幾つかの電圧（０＜Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３...）を印可する。次に、各電圧印加時におけるオフセット出力値がＶｓ／２に等しくなるように、駆動部５Ｂの固定電極５５ｂに対して電圧調整を行う。このときＶｓ／２に対するセンサ出力Ｖｏｕｔの大小関係を比較しながら、固定電極５５ｂに印加する電圧を調整する。そして、Ｖｓ／２に対するセンサ出力Ｖｏｕｔが大きい場合は、固定電極５５ｂに印可する電圧を増加させる。これにより、固定電極５５ａ，５５ｂへの電圧印加時におけるオフセット電圧をＶｓ／２に設定する。なお、固定電極５６ａ，５６ｂはＧｎｄ電位に設定されている。以上の様に、固定電極５５ａに印加する各電圧（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，...）に対応してオフセット出力がＶｓ／２に設定可能な固定電極５５ｂに印加する電圧（Ｖ１´，Ｖ２´，Ｖ３´，...）が決定される。これらの電圧ペア（Ｖ１，Ｖ１´）、（Ｖ２，Ｖ２´）、...は設定されるギャップｇ１，ｇ２...にそれぞれ対応し、センサの感度Ｓ１，Ｓ２，...にも対応する。
その後、所望の基準加速度を加振器や重力加速度を利用してセンサに印可し、その出力電圧をチェック、もしくは電気的なゲインを調整して、センサ感度の校正作業が終了する。これらの一連の電圧印可情報と対応感度（ｍＶ／Ｇ）情報は、上記センサ校正時に電気的にＥＰＲＯＭに書き込み処理がなされる。そして、後日、書き込み情報を基に、センサユーザがデジタル的に所望の感度を呼び出すことができる。
【００４５】
また、静的重力加速度を受け、可動質量体がいずれかの検出電極側に変位している場合にも、上記の校正方法と同様な方法により、検出電極と可動質量体との間の一対のギャップの値を一致させるように、つまりオフセット出力を所定値（Ｖｓ／２）に調整するように固定電極に印可する電圧を設定することができる。通常、変位率が大きくなるに従い、センサ出力の非線形性が大きくなる。しかし、オフセット出力を所定値（Ｖｓ／２）に調整することにより、検出電極と可動質量体との間のギャップを等しくできるため、重力加速度以外の測定すべき加速度に対するセンサ出力の非線形性を常に低く保つことができる。
【００４６】
実施の形態２．
図１５は本実施の形態に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｂの構造を示す平面図であり、図１６はセンサ素子１Ｂの駆動部５Ｃの構造を示す部分拡大平面図であり、図１７はそのセンサ素子１Ｂを用いた検出装置Ｉの構成を示す模式図である。
【００４７】
実施の形態１の図１に例示したセンサ素子においては、駆動部に、並列配置された平板電極からなる一対の固定電極と駆動電極（Ｇｎｄ電位）を用いている。この場合、一対の固定電極と駆動電極との間で発生する静電引力が、そのギャップの２乗に反比例するため、変位と電極間の電位差との関係が非線形となる。また、変位が大きくなる場合には、固定電極と駆動電極との間のスティック現象が発生する可能性がある。このため、駆動部に、例えば、P.G.Harwell他「Single mask lateral tunneling accelerometer」IEEE, Micro Electro Mechanical System Symposium,p340-344,1998(MEMS98)の図１に記載されている櫛型駆動部を採用することもできる。この櫛型静電駆動部は、固定電極と駆動電極との間の電位差と駆動部の変位が、線形の関係にある。そのため、上記の校正時には、固定電極の電位と感度との関係が線形となり、校正データとしては取り扱いがし易くなる。また、並列配置された平板電極で発生する、プルイン現象が発生しにくいというメリットも備えている。
【００４８】
本実施の形態に係るセンサ素子は、駆動部において、一対の固定電極を櫛型電極とする一方、その櫛型電極とギャップを介して対向する櫛型突出部を固定電極に配設するようにした以外は、実施の形態に係るセンサ素子１Ａと同様の構造を有している。具体的には、駆動部５Ｃの場合、固定電極５１ｃの櫛型突出部５１１ｃと５１２ｃが、それぞれ、櫛型固定電極５６ｃと５５ｃとギャップを介して対向するように配設されている。一方、駆動部７Ｄについても、固定電極５１ｄの櫛型突出部が、それぞれ、櫛型固定電極５６ｄと５５ｄとギャップを介して対向するように配設されている。
【００４９】
ここで、固定電極には、図１２で示したと同様の印加方法により、電圧が印加されている。すなわち、駆動部５Ｃと５Ｄのそれぞれの端子５４ｃと５４ｄを電気的Ｇｎｄ（接地）に接続し、櫛型固定電極５６ｃに接続する端子５８ｃを電圧源Ｖ２に接続し、櫛型固定電極５６ｄに接続する端子５８ｄを電圧源Ｖ３に接続し、櫛型固定電極５５ｃと５５ｄにそれぞれ接続する端子５７ｃと５７ｄを、Ｇｎｄに接続する。検出電極と可動質量体との間のギャップは、初期ギャップｇ１（センサの製造時の初期ギャップｇｏとは、ｇｏ＞ｇ１の関係にある。）に設定されている。これにより、初期ギャップを小さくして、センサの感度を向上させることができる。
【００５０】
本実施の形態においては、慣性力によって可動質量体が変位した場合、その変位量と方向を後述の差動容量変化検出回路により検出し、検出電極と可動質量体の間のギャップが変化しない方向に検出電極を移動させる。これにより、常に、検出電極と可動質量体間のギャップを一定に保持することができる。図１５に示した例では、可動質量体が＋ｙ方向に変位した場合、端子５８ｃにＶ２（＝Ｖ１−ΔＶ）の電圧を印可し、端子５８ｄにＶ３（＝Ｖ１＋ΔＶ）の電圧を印可し（ここで、Ｖ２＜Ｖ３である。）、可動質量体の変位量と同じ変位量を各検出電極に発生させ、結果的に、検出電極と可動質量体間のギャップを初期ギャップｇ１に保持している。なお、各端子への印加電圧は、図１５に記載した例に限定されない。例えば、Ｇｎｄに接地されている端子の電位をＧｎｄ電位以外に設定することもできる。
【００５１】
図１７に示すように、本実施の形態に係る検出装置Ｉでは、センサ素子１Ａにおける容量変化は差動容量変化検出回路８２により検出される。フィードバック機構８６を構成するサーボ系調整回路８３は、差動容量検出回路８２からの入力に追従して各固定電極端子に印加する電圧を出力する。フィードバック機構８６は、変位後の可動質量体と検出電極との間のギャップを、予め設定した変位前の値に戻すように上記駆動部に電圧を印加して検出電極を移動させる。サーボ系調整回路８３は、本調整回路の入出力の位相やゲインを調整するため、ＰＩＤ制御機能を有している。出力電圧には差動容量変化検出回路８２の微小出力を用いることも出来る。しかし、この出力電圧が変化しないようにサーボコントロールされているので、直接の操作量である、サーボ系調整回路８３で形成されるフィードバック電圧を用いることが好ましい。このフィードバック電圧は、後続の出力調整回路８４により処理され、所望の加速度に対する出力やゼロ点出力が、例えばデジタル的に調整・設定される。
【００５２】
本実施の形態に係る検出装置Ｉでは、原理的に可動質量体と検出電極のギャップが常に一定に保たれている。そのため、ギャップに対する可動質量体の変位が大きい場合に従来発生していたセンサ出力の線形性悪化が、原理上発生しないという大きな利点がある。また、感度向上のために初期ギャップを狭小に設定した場合でも、電極同士の衝突や張り付き、そしてそれに伴うセンサ構造の損傷などが発生しにくいという利点もある。
【００５３】
また、電気的ばね定数を積極的に利用するサーボ式加速度センサにおいては、ギャップを変更可能な構造を採用することにより、同じ電極間電位差でも、ギャップが小さくなることにより静電引力が増加するため、電気的ばね定数を向上させることが出来る。これにより、従来サーボ系回路の電源の制限（上限）で制限されていたセンサのバンド幅を広げることができる。このことは、逆にバンド幅を一定に保つという設計をする場合では、感度が向上できることに対応する。
【００５４】
また、検出回路に実施の形態１の検出装置で用いた電荷バランス型の検出回路を用いることもできる。この場合、電極間の静電引力を常にバランスさせることができるため、プルイン現象が発生し難いという利点を有している。
【００５５】
なお、本実施の形態では、慣性力により可動質量体が変位しても、検出電極はサーボ系調整回路から出力される駆動電圧により初期ギャップを維持するように移動するが、予め、変位前の初期ギャップｇ１を製造時の初期ギャップｇｏより小さく設定することが好ましい。初期ギャップを小さくすることにより検出電極と可動質量体との間の静電引力を増加させることができるので、可動質量体が変位しても、検出電極に印加する駆動電圧を小さくすることができるからである。
【００５６】
実施の形態３．
図１８は、本実施の形態に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｃの構造を示す模式平面図である。センサ素子１Ｃは、１対の検出部に代えて複数対の検出部を用いた以外は、実施の形態１のセンサ素子１Ａと同様の構造を有している。すなわち、図１８に示すように、センサ素子１Ｃは、基板上に配置された、変位部１２０と４対の検出部、すなわち、第１検出部１３０Ａ，１３０Ｂ、第２検出部１３１Ａ，１３１Ｂ、第３検出部１３２Ａ，１３２Ｂ、そして第４検出部１３３Ａ，１３３Ｂを有している。さらに、変位部１２０は、慣性力の方向に変位可能な可動質量体１２１と、該可動質量体１２１に連接され可動質量体１２１を上記空隙部の上に宙支する一対の梁１２２と、該梁を支持し上記基板に接合された一対の梁用アンカー１２４と、端子１２３とから構成されている。さらに、４対の検出部は、変位部に対向して配置され、それぞれ可動質量体との間の初期ギャップの異なる又は等しい検出部からなり、第１検出部から第３検出部は、可動質量体１２０と対向配置され、残る第４検出部１３３は梁部１２２に対向配置されている。なお、各検出部は、実施の形態１で説明した検出部７Ａあるいは７Ｂと同様の構造を有しており、図面中ではその構造を省略して示している。
【００５７】
本実施の形態によれば、４対の検出部を変位部と異なるギャップで離間して対向するように位置決めして配置することにより、実際の加速度に対応した測定レンジ及び適切な初期容量Ｃ０を有する検出部を選択することができる。例えば、加速度測定レンジを低域にシフトさせる場合（高感度化する場合）、検出回路側の安定性などの問題から、その低域の測定レンジに対応する初期容量を有する検出電極を用いることにより、より安定した測定を行うことができる。
【００５８】
なお、一対の検出部を用いた場合でも、対向する電極面積を一定にしたまま初期ギャップを小さくすることで感度を上げることができる。しかし、初期ギャップの減少に伴い初期容量が極めて大きくなることが考えられる。初期ギャップの減少により、浮遊容量の影響を受けないというメリットはあるが、不必要な容量が増加し、測定回路系に影響を与える。
【００５９】
また、可動質量体を宙支する梁に対しても検出部を配置することにより、測定レンジの選択の幅を広げることができる。すなわち、一体の加速度が加わった場合、梁の変位は質量体の変位に比べ小さい。特に、梁の固定端に近くなればなるほど、変位が小さくなるため、単位加速度に対する可動質量体変位の選択の幅を広げることができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、複数対の検出部の少なくとも１対の検出部の検出電極を残部の検出部の検出電極よりも狭ギャップのダンパ部とし、残部の検出電極が変位部に当接するに先立って、そのダンパ部が変位部に接触するようにすることができる。容量型加速度検出装置の場合、測定レンジを越える衝撃加速度が何らかの原因でセンサ素子に入力された場合、変位部の可動質量体が検出電極に衝突して電極の破損が発生し、場合によってはセンサ素子が機能しなくなることがある。このような場合、少なくとも１対の検出部をダンパ部として用いることにより、可動質量体との衝突による衝撃を吸収し、可動質量体の変位を制限することができる。これにより、測定レンジを越える衝撃加速度がセンサ素子に加わった場合でも、その衝撃によりセンサ素子が破損することがない。ダンパ部には、複数対の検出部の中で、最大のギャップを有するものよりは小さいギャップを有する検出部を用いることが好ましい。
【００６１】
実施例の形態４．
図１９は、本実施の形態に係る検出装置の構成の一例を示す模式図である。本実施の形態に係る検出装置は、センサ素子が、互いに異なるギャップを有する複数対の検出部により設定される複数の測定レンジを有するものであり、センサ素子の出力電圧と測定レンジを規定する閾値電圧を所定時間比較し、出力電圧よりも大きい又は小さい閾値電圧を有する検出部を選択する自動レンジ切替機構を有し、入力される加速度の時刻暦に応じて、時々刻々、最適な測定レンジを選択することができる。すなわち、センサ素子１Ｄは、複数対の検出部として第１検出部１４０ａ、第２検出部１４０ｂ、そして第３検出部１４０ｃを有しており、それらの容量変化は、それぞれＣ−Ｖ変換回路１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃにより電圧に変換され、マイコン、メモリ、そしてＡ／Ｄ変換部を有するデータ制御部１４３と、駆動電圧切替・発生回路１４４とを備えた自動レンジ変換機構１４２に伝達される。自動レンジ切替機構１４２は、複数対の検出部の容量変化から、入力された加速度の測定に適した測定レンジを有する検出部を選択し、その選択した検出部からの測定値を出力する。また、自動レンジ切替機構は、駆動電圧切替・発生回路に、複数対の検出部に対し、初期ギャップを所定の値に設定する機能を有する。なお、図１９では、３対の検出部を用いた例を示しているが、これに限定されるものではなく、複数対であれば良い。
【００６２】
図２０は、図２１の検出装置の処理手順の一例を示すフロー図である。図２０では、３対の検出部は、第３＞第２＞第１の順で、高域から低域となる測定レンジを有している。処理手順は、第３検出部で測定する第１の処理フローＳ１０と、第２検出部で測定する第２の処理フローＳ２０と、第３検出部で測定する第３の処理フローＳ３０とで構成されている。
【００６３】
加速度が入力されると、まず最高域の測定レンジを有する第３検出部で測定が開始される（第１のレンジ設定Ｓ１１）。この時、第３検出部は、待機状態よりギャップが小さい測定用ギャップに設定されている。これに対し、第１及び第２検出部は、待機状態にあり、測定は行わない。測定開始時間Ｔ２から所定の経過時間ΔＴを経過するまで、第３検出部からの出力は、出力ユニット３から電圧Ｖ３として出力される（第１の出力処理Ｓ１２）。第１の測定処理の間、出力ユニット３からの電圧出力Ｖ３と閾値電圧Ｖ３ｔｈとを比較し、電圧出力Ｖ３が閾値電圧Ｖ３ｔｈよりも大きい時は第１の測定処理Ｓ１１により測定を継続し、電圧出力Ｖ３が閾値電圧Ｖ３ｔｈよりも小さい時は中域あるいは低域の測定レンジへの切替を行う（第１の判定処理Ｓ１３）。
【００６４】
さらに、電圧出力Ｖ３は中域の測定レンジを有する第２検出部の閾値電圧Ｖ２ｔｈと比較され、電圧出力Ｖ３が閾値電圧Ｖ２ｔｈよりも大きく、その状態がΔＴ時間継続する場合には中域の測定レンジを有する第２検出部への切替を行い、電圧出力Ｖ３が閾値電圧Ｖ２ｔｈよりも小さく、その状態がΔＴ時間継続する場合には低域の測定レンジを有する第１検出部への測定レンジの切替を行う（第２の判定処理Ｓ２１）。
【００６５】
低域の測定レンジへの切替が行われると、第２及び第３検出部を待機状態とする一方、第１検出部のギャップを待機ギャップから測定用ギャップに変更して測定を開始する（第３のレンジ設定Ｓ３２）。次いで、第１検出部で測定を継続する一方（計測処理Ｓ３３）、その電圧出力Ｖ１と第１検出部の閾値電圧Ｖ１ｔｈの大小関係を比較し、その電圧出力Ｖ１がＶ１ｔｈより大きい時には、測定レンジを中域に変更し、その電圧出力Ｖ１がＶ１ｔｈより小さい時には、低域の測定レンジでの測定を継続し（第３の判定処理Ｓ３４）、その電圧出力Ｖ１を出力する（第３の出力処理Ｓ３５）。
【００６６】
一方、中域の測定レンジへの切替が行われると、第１及び第３の検出部を待機状態とする一方、第２検出部のギャップを待機ギャップから測定用ギャップに変更して測定が開始される（第２のレンジ設定Ｓ２２）。その電圧出力Ｖ２と第２検出部の閾値電圧Ｖ２ｔｈの大小関係を比較し、電圧出力Ｖ２がＶ２ｔｈより大きい時には測定レンジを高域に変更し、その電圧出力Ｖ２がＶ２ｔｈより小さい時には中域の測定レンジでの測定を継続し（第４の判定処理Ｓ２３）、その電圧出力Ｖ２を出力する（第４の出力処理Ｓ２４）。
なお、電圧出力Ｖ２がＶ２ｔｈより小さく、その時間が測定開始時間Ｔ２よりΔＴ時間以上継続する場合には、低域の測定レンジへの切替が行われる（第５の判定処理Ｓ３１）。
【００６７】
このように、本実施の形態に係る検出装置は、測定レンジの異なる複数の検出部を有しており、測定する加速度の大きさに対応する測定レンジを有する検出部を自動的に選択することができるので、時々刻々変化する加速度を高精度に測定することができる。
【００６８】
実施の形態５．
図２１は、本実施の形態に係る検出装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る検出装置は、実施の形態４の検出装置で用いた複数対の検出部に代えて、実施の形態１で用いた１対の検出部を有するセンサ素子を用いたものである。センサ素子は、１対の検出部の検出電極のギャップを段階的に変更することにより設定される複数の測定レンジを有するものであり、センサ素子の出力電圧と測定レンジを規定する閾値電圧とを所定時間比較し、出力電圧よりも小さい閾値電圧を有するようにギャップを変更して測定レンジを切替える自動レンジ切替機構を有している。すなわち、１対の検出部を有するセンサ素子１Ａと、Ｃ−Ｖ変換回路１５０と、Ｃ−Ｖ変換回路１５０からの電圧情報に基いて測定レンジを自動的に選択して測定を行うレンジ自動切替機構１５１を備えている。レンジ自動切替機構１５１は、マイコン、メモリ、Ａ／Ｄ変換部を備えたデータ制御部１５２と、データ制御部からの信号に基いて検出部を駆動させる駆動電圧切替・発生回路１５２とから構成されている。なお、センサ素子として実施の形態１で用いてセンサ素子を用いているが、一対の検出部を有するものであれば、これに限定されない。
【００６９】
本実施の形態の検出装置においては、各測定レンジに対応して設定された閾値電圧とセンサ素子からの出力電圧との大小関係を比較し、その出力電圧に適した測定レンジとなるように、ギャップを段階的に変更する。これにより、加速度の大きさに応じた測定レンジが選択され、時間的に変化する加速度についても精度の高い測定が可能となる。対向面積が一定であるため、実施の形態４の検出装置に比べ測定レンジの幅は狭いが、センサ素子の構造及び駆動回路の構成を簡略化でき、設計の自由度が高いという特徴を有する。
【００７０】
実施の形態６．
本実施の形態に係る検出装置は、実施の形態１の駆動部に櫛型電極からなる櫛型駆動部を用いたものである。図２２は、本実施の形態に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｅの構造を示す模式平面図である。図２３は、図１の裏面側模式平面図、図２４は図２２のＡ−Ａ線模式断面図、図２５は図２２のＢ−Ｂ線模式断面図である。図２２に示すように、センサ素子１Ｅは、例えば表面に電気絶縁層を有する基板１０と、その上面に配置された変位部２と一対の検出部３Ａ，３Ｂと、からなり、変位部２はその一対の検出部３Ａ，３Ｂと所定ギャップで離間して対向配置されている。なお、基板１０には、表面に、例えば酸化膜や窒化膜等を有するシリコン基板や、ガラス板等の電気絶縁基板を用いることができる。
【００７１】
変位部２は、図２２にも示すように、慣性力の方向に変位可能な可動質量体２１と、その可動質量体２１に連接され可動質量体２１を空隙部１１の上に宙支する一対の梁２２，２２を支持し最終的に上記基板１０に結合された一対のアンカー２３，２３と、その一方のアンカーの表面に形成された端子２４と、を有している。なお、本実施の形態においては、可動質量体２１は梁２２，２２のｙ軸方向曲げ弾性によりｙ軸方向に慣性力に応じて変位可能な構成となっている。
【００７２】
次に、一対の検出部３Ａ，３Ｂの構成について、検出部３Ａを例にとり説明する。検出部３Ａは、絶縁層４Ａを介して接合された検出部３Ａと駆動部５Ａとを有している。ここで、検出部３Ａはその側面を可動質量体２１の側面と対向するように所定のギャップｇｏで離間配置されている。また、検出部３Ａは図１に示すように、慣性力の方向に変位可能な検出電極３１ａと、その検出電極３１ａに連接され検出電極３１ａを空隙部１１の上に宙支する一対の梁３２ａ，３２ａを支持する一対のアンカー３３ａ，３３ａと、その一方のアンカーの表面に形成された端子３４ａと、を有している。また、駆動部５Ａは、図２にも示すように、基板１０上の面外方向に配置されて固定された一対の固定電極５５ａ，５６ａと、その固定電極５５ａ，５６ａに対して検出電極３１ａと絶縁膜４Ａを挟んで接合され、検出電極と共に水平ｙ方向に移動可能な駆動電極５１ａと、その駆動電極５１ａに連接され駆動電極５１ａを空隙部１１の上に宙支する一対の梁５２ａ，５２ａを支持し基板１０に接合された一対のアンカー５３ａ，５３ａとを有し、その一方のアンカーの表面に形成された端子５４ａを有し、固定電極５５ａ，５６ａの表面には、それぞれ端子５７ａ，５８ａが形成されている。また、可動質量体２１の直下の基板１０上に配設された張り付き防止ストッパー１２は、端子４２を有するストッパー用電極４１により可動質量体２１の下部から引き出されている。張り付き防止ストッパー１２は、可動質量体２１が基板１０側に大きく変位して基板と衝突して破損するのを防止するため可動質量体２１の変位を制限する目的で設けたものである。基板１０を可動質量体２１と同電位にすることにより、張り付きを防止することができる。
【００７３】
次に、センサ素子の製造方法の一例を、図２４〜２６の模式断面図を用いて説明する。図２４〜２６は、図２２のＡ-Ａ線断面に相当する模式断面図である。まず、基板には、比抵抗の小さな例えば４０μｍ厚程度のシリコン活性層９３と、その下に膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜９２を有し、同様に比抵抗が小さく厚みが数百μｍのシリコン基板９１を有するＳＯＩ基板（Silicon On Insulator））を用いている（図２６（ａ））。また、シリコン基板９１の下面には膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜９０が形成されている。
【００７４】
次に、図２２に於ける可動領域や最終的にシリコン基板９１の貫通エッチング領域を形成するため、通常のレジストのフォトリソグラフィー及びウエット又はドライエッチング手法によりシリコン酸化膜９０の一部を除去し、次いでその下層のシリコン基板９１をＩＣＰ-ＲＩＥ(Inductive coupled Reactive Ion Etching)等を用いてエッチングしてトレンチ９６（一例として深さ約５μｍ）を形成する（図２６（ｂ））。次に、一旦酸化膜を除去し、再度熱酸化炉などによる処理で、ウエハの両面に１μｍ程度の酸化膜を形成する。次に、下面シリコン基板上の酸化膜の一部（基板シリコンを貫通エッチングする領域）を除去するため、通常のレジストのフォトリソグラフィー及びウエットエッチング手法によりこのシリコン酸化膜の一部を除去（図２６（ｃ））し、次いでその下層のシリコン基板９１をＩＣＰ-ＲＩＥ(Inductive coupled Reactive Ion Etching)等を用いてエッチングしてトレンチ９７（一例として深さ約数百μｍ）を形成する（図２６（ｄ））。
【００７５】
次に、トレンチエッチングに利用した基板側酸化膜のみをフッ酸などで除去し、ガラス基板９５とシリコン基板９１を陽極接合手法などによって接合する（図２６(e)）。ここではガラス基板を一例として利用したが、絶縁層をその表面に有するシリコン基板でも良く、接合はシリコンの直接接合や共晶接合（AuSiなど）、各種の拡散接合（TiNiなど）を利用しても良い。
シリコン活性層の構造体形成のため、シリコン活性層側の酸化膜を通常のフォトリソグラフィーを利用して、その一部を除去する（図２６（ｆ））。
次に、ＩＣＰ-ＲＩＥ法によりシリコン活性層９３の貫通エッチングを実施する（図２６（ｇ））。次に、フッ酸等を用いるウエットエッチングにより図２４〜２６に記載の一部の領域を残して、シリコン酸化膜９２を除去する（図２６（ｈ））。その後、電極端子をシャドーマスクなどを利用して、Ｃｒ、Ａｕなどの蒸着やスパッタ手法により形成する。
【００７６】
本実施の形態のセンサ素子１Ｅについても、実施の形態１で説明した方法により、ギャップを変更することができる。例えば、図１１に記載の電圧印加方法を用いることにより、検出部３Ａ，３Ｂを可動質量体２１に接近させることができる。図１７は、検出部３Ａ，３Ｂを可動質量体２１に接近させた時のセンサ素子１Ｅの状態を示す模式平面図、そして図２８は図２７のＡ−Ａ線模式断面図である。
【００７７】
本実施の形態では駆動部に櫛型駆動部を用いているので、固定電極と駆動電極との間の電位差と駆動部の変位が、線形の関係にあり、そのため、センサ感度の校正時には、固定電極の電位と感度との関係が線形となり、校正データとしては取り扱いがし易くなる。また、並列配置された平板電極で問題となりやすい、プルイン現象が発生しにくいというメリットも備えている。
【００７８】
実施の形態７．
図２９は本実施の形態に係る検出装置ＩＶの構成の一例を示す模式図である。本検出装置には、実施の形態１から６で用いたいずれのセンサ素子も用いることができる。
【００７９】
本検出装置に用いるセンサ素子には、固定電極に図２７及び２８で示したと同様の印加方法により、電圧を印加することができる。すなわち、駆動部５Ａと５Ｂのそれぞれの端子５７aと５７bを電気的Ｇｎｄ（接地）に接続し、櫛型固定電極５５ａに接続する端子５８ａを電圧源Ｖ２に接続し、櫛型固定電極５５ｂに接続する端子５８ｂを電圧源Ｖ３に接続し、端子５４ａと５４ｂをＧｎｄに接続する。検出電極と可動質量体との間のギャップは、製造時の初期ギャップｇ０より小さい初期ギャップｇ１に設定されている。これら一連の設定は電極間ギャップ調整回路８５で行われる。これにより、実施の形態１で示した様に、初期ギャップを小さくして、センサの感度を向上させることができる。
【００８０】
図２９に示すように、本検出装置は、検出電極と可動電極との間のギャップを予め設定した値に維持するサーボ系調整回路８３を含むフィードバック機構８７を有している。このフィードバック機構８７は、慣性力によって可動質量体が変位しようとした場合、その変位量と方向を差動容量変化検出回路８２により検出し、サーボ系調整回路８３が可動質量体に変位が生じないように検出電極の電位を決定する（具体的な手法は、特許第３２６４８８４号公報に記載されている）。すなわち、可動質量体が変位しようとすると、サーボ系調整回路８３からのフィードバック電圧は端子２４に印加され可動質量体と検出電極との間の電位差を変化させるので、静電引力により可動質量体の変位を打ち消すことができる。特に、初期ギャップｇ１を製造時の初期ギャップｇ０より小さくすることにより、可動質量体と検出電極との間の静電引力を増加させることができるので、電位差を小さくしても可動質量体の変位を打ち消すことができる。これにより、常に、検出電極と可動質量体との間のギャップを設定した値（現実的には、変位をオープンループ制御に比較して小さく）に保持することができる。各端子への印加電圧は、図１１を用いて説明した例に限定されない。例えば、Ｇｎｄに接地されている端子の電位をＧｎｄ電位以外に設定することもできる。また、出力電圧には差動容量変化検出回路８２の微小出力を用いることもできる。しかし、この出力電圧が変化しないようにサーボコントロールされているので、直接の操作量である、サーボ系調整回路８３で形成されるフィードバック電圧を用いることが好ましい。このフィードバック電圧は、後続の出力調整回路８４により処理され、所望の加速度に対する出力やゼロ点出力が、例えばデジタル的に調整・設定される。
【００８１】
このように電気的ばね定数を積極的に利用するサーボ式加速度センサにおいては、ギャップを変更可能な構造を採用することにより、同じ電極間電位差でも、ギャップが小さくなることによりその比の自乗に比例して静電引力が増加するため、電気的ばね定数、しいてはフィードバックループゲインを向上させることが出来る。これにより、従来サーボ系回路の電源の制限（上限）で制限されていたセンサのバンド幅を広げることができる。これは、逆にバンド幅を一定に保つという設計をする場合では、感度とＳＮ比が向上できることに対応する。
【００８２】
実施の形態８．
図３０は、慣性力が作用しない場合のセンサオフセット出力（ゼロ点出力）の温度依存性の一例を示す模式図である。例えば、温度に比例して増加する右上がりの温度依存性（破線）を示す。この検出差動容量Ｃ１，Ｃ２の温度依存性の大きな原因としては、その電極間ギャップが温度依存性を有するために、Ｃ１、Ｃ２の温度依存性が発生することが挙げられる（式２，３，６、７参照）。その結果として、図３０の破線で示した、オフセット出力の温度依存性や感度の温度依存性が発生する。これを図３０の実線で示すような温度依存性のない状態に補正する必要がある。なお、図３０の実線に対応する、一対の電極間ギャップｇ１，ｇ２の温度依存性を図３１に示す。オフセット出力の温度依存性を抑制するには、検出電極と可動質量体との間の一対のギャップの値を一致させるように固定電極に電圧を印加すれば良い。
【００８３】
本発明の慣性力検出装置は電極間ギャップが可変な構造を有しているので、オフセット出力の温度依存性を相殺するように、検出電極を移動させて電極間ギャップを調整することができる。図３２は、本実施の形態に係る検出装置Ｖの構成を示す模式図であり、実施の形態１から６に用いたいずれか１種のセンサ素子、Ｃ−Ｖ変換回路１５０、そしてドリフト補償機構１５５で構成されている。さらに、ドリフト補償機構１５５は、マイコン、メモリ、Ａ／Ｄ変換部を備えたデータ制御部１５２と、そのデータ制御部からの信号に基づいて検出部を駆動させる電極間ギャップ調整回路とから構成されている。例えば、図３２に示すように、端子５８ａ，５７ｂをＧｎｄ電位に設定し、端子５７ａ，５８ｂをそれぞれ電圧源Ｖｄ１（＝Ｖｄ２），Ｖｄ２に接続する。これにより、ｇ１が減少する一方、ｇ２が増加するので、両方のギャップ値を一致させることができ、オフセット出力の温度依存性を相殺してオフセット出力を所定の値に保持することができる。具体的には、各温度で、図３３の温度−駆動電圧曲線で規定される駆動電圧を印加する。
【００８４】
さらに具体的に説明すると、センサ素子を温度チャンバー内に入れ、各温度におけるオフセット出力の温度依存性を測定する。そして、各温度における補償可能な電圧値（補償駆動電圧）を、Ｃ−Ｖ変換回路１５０からの電圧情報に基づいてドリフト補償機構１５５のデータ制御部１５２のメモリーに蓄積させる。次に、データ制御部１５２からの信号に基づいてオフセット出力をキャンセルするように、各温度における所定の補償駆動電圧を検出電極に加える。実使用に於いては、温度センサ（不図示）によるセンサ信号に対応して各温度における補償駆動電圧が設定され、検出電極が変位駆動される。これにより、電極間ギャップの温度依存性が発生することなく、ゼロ点出力および感度の温度依存性を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ａの構造の一例を示す模式平面図である。
【図２】図１のセンサ素子１ＡのＡ-Ａ線における模式断面図である。
【図３】図１のセンサ素子１ＡのＢ-Ｂ線における模式断面図である。
【図４】図１のセンサ素子１ＡのＣ-Ｃ線における模式断面図である。
【図５】図１のセンサ素子１ＡのＤ-Ｄ線における模式断面図である。
【図６】図１のセンサ素子１Ａの等価回路を示す模式図である。
【図７】図１のセンサ素子１Ａの製造方法の一例を示す模式断面図（１）である。
【図８】図１のセンサ素子１Ａの製造方法の一例を示す模式断面図（２）である。
【図９】実施の形態１に係る検出装置の差動容量検出回路を示す模式図（１）である。
【図１０】実施の形態１に係る検出装置のスイッチを駆動するクロックタイミングを示す模式図である。
【図１１】実施の形態１に係る検出装置の差動容量検出回路を示す模式図（２）である。
【図１２】検出部を可動質量体に接近させた時の図１のセンサ素子１Ａの構造を示す模式平面図である。
【図１３】図１２のセンサ素子１ＡのＤ-Ｄ線における模式断面図である。
【図１４】センサ出力と入力加速度との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｂの構造の一例を示す模式平面図である。
【図１６】図１５のセンサ素子１Ｂの構造を示す部分拡大平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る検出装置Ｉの構成を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｃの構成を示す模式平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る検出装置ＩＩの構成を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る検出装置ＩＩの処理手順を示すフロー図である。
【図２１】本発明の実施の形態５に係る検出装置ＩＩＩの構成を示す模式図である。
【図２２】本発明の実施の形態６に係る検出装置に用いるセンサ素子１Ｅの構造の一例を示す模式平面図である。
【図２３】図２２のセンサ素子１Ｅの構造の裏面側の模式平面図である。
【図２４】図２２のセンサ素子１ＥのＡ-Ａ線における模式断面図である。
【図２５】図２２のセンサ素子１ＥのＢ-Ｂ線における模式断面図である。
【図２６】図２２のセンサ素子１Ｅの製造方法の一例を示す模式断面図である。
【図２７】検出部を可動質量体に接近させた時の図２２のセンサ素子１Ｅの構造を示す模式平面図である。
【図２８】検出部を可動質量体に接近させた時の図２２のセンサ素子１Ｅの構造を示す模式断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態７に係る検出装置ＩＶであり、サーボ方式加速度センサの回路構成の一例を示す模式図である。
【図３０】オフセット出力Ｖｏの温度依存性を示す模式図である。
【図３１】電極間ギャップｇ１、ｇ２の温度依存性を示す模式図である。
【図３２】本発明の実施の形態８に係る検出装置Ｖであり、ドリフト補償機構の構成の一例を示す模式図である。
【図３３】図３２における駆動電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の温度依存性を示す模式図である。
【図３４】プルイン閾値電圧と電極間ギャップとの関係を示すシミュレーションの結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  センサ素子、  ９  ストッパー、  １０  基板、  １１  空隙部、  １２  張り付き防止ストッパー、  ２  変位部、  ２１  可動質量体、  ３Ａ，３Ｂ  検出部、  ３１ａ，３１ｂ  検出電極、  ３２ａ，３２ｂ  梁、  ３３ａ，３３ｂ  アンカー、  ３４ａ，３４ｂ  端子、  ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ  絶縁層、  ４１  ストッパー用電極、  ４２  端子、  ５Ａ，５Ｂ  駆動部、  ５１ａ，５１ｂ  駆動電極、  ５２ａ，５２ｂ  梁、  ５３ａ，５３ｂ  アンカー、  ５４ａ，５４ｂ  端子、  ５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ  固定電極、  ５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂ  端子、  ６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７  コンデンサ、  ８０  差動容量検出部、  ８１  検出ギャップ設定部、  ８２  差動容量変化検出回路、  ８３  サーボ系調整回路、  ８４  出力調整回路、  ８５  電極間ギャップ調整回路、  ８６，８７  フィードバック機構、  ９１  シリコン基板、  ９０，９２，９４  シリコン酸化膜、  ９３  シリコン活性層、  ９５  基板、  ９６，９７  トレンチ、  １１５  センサ素子、  １１３  フィードバック謙サンプリングコンデンサ、  １１４  ホールド用コンデンサ、  １１６  スイッチトキャパシタ回路及び電圧ホールド謙フィードバック回路、  １１１，１１２，１１３，１１４  コンデンサ、  １５０  Ｃ−Ｖ変換回路、  １５２  データ制御部、  １５４  電極間ギャップ調整回路、  １５５  ドリフト補償回路。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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