(57)【要約】【課題】  静電容量型の変位センサに形成されているコンデンサの電極間の距離を所望の大きさに正確に調整すること。【解決手段】  変位センサ１０００は、導電性下層４０と絶縁層５０と導電性上層２０の積層を備えている。導電性下層４０は、導電性下層４０を貫通する溝４１によって第１下領域４４と第２下領域４２に分離されている。絶縁層５０は、選択された範囲において導電性下層４０上に積層されている。導電性上層２０は、選択された範囲において絶縁層５０上に積層されているとともに、コンデンサＣ１、Ｃ４の一方の電極を形成する上部分２２、２６を有している。上部分２２、２６は、第１下領域４４の上方位置から第２下領域４２の上方位置まで伸びている。上部分２２、２６と第１下領域４４の間には絶縁層５０が形成されておらず、上部分２２、２６と第２下領域４２の間には絶縁層５０が形成されている。【選択図】  図２
2005292125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性下層と絶縁層と導電性上層を有する積層を備え、
導電性下層は、導電性下層を貫通する溝によって第１下領域と第２下領域に分離されており、
絶縁層は、選択された範囲において導電性下層上に積層されており、
導電性上層は、選択された範囲において絶縁層上に積層されているとともに、第１コンデンサの一方の電極を形成する第１上部分を有しており、
その第１上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びており、
ビームが第１下領域と第２下領域を接続しており、
第１上部分と第１下領域の間には絶縁層が形成されておらず、
第１上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されている変位センサ。
【請求項２】
導電性上層は、第２コンデンサの一方の電極を形成する第２上部分をさらに有しており、
その第２上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びており、
第２上部分と第１下領域の間には絶縁層が形成されており、
第２上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されておらず、
第１下領域と第２下領域が相対的に積層方向に変位すると、第１コンデンサの電極間距離は拡大し、第２コンデンサの電極間距離は縮小することを特徴とする請求項１の変位センサ。
【請求項３】
第１下領域は第２下領域によって取囲まれており、
第２上部分に対向する第２下領域の範囲は、第２下領域の残部から絶縁されていることを特徴とする請求項２の変位センサ。
【請求項４】
第１下領域の表面の一部に、絶縁層と導電性上層が積層されており、
その絶縁層の一部が除去されて第１下領域と第１下領域上に積層されている導電性上層が電気的に接続されており、
コンデンサ容量検出回路が、第１上部分と、第１下領域上に積層されている導電性上層と、第２下領域のそれぞれに接続されることを特徴とする請求項３の変位センサ。
【請求項５】
ビームは、導電性上層で形成されており、
ビームの両端部が、絶縁層を介して、第１下領域と第２下領域に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの変位センサ。
【請求項６】
ビームの両端部以外では、導電性上層と導電性下層の間に、絶縁層が形成されていないことを特徴とする請求項５の変位センサ。
【請求項７】
第１下領域は第２下領域によって取囲まれており、
導電性上層には、第１下領域の上方を通過するとともに、第１下領域を挟んで向い合う第２下領域の２つの部分を結ぶ第３上部分が形成されており、
その第３上部分と第１下領域の間には絶縁層が形成されておらず、
導電性上層には、第１下領域上に絶縁層を介して積層されているとともに、第１下領域を挟んで向い合う第２下領域の２つの部分の上方に張出す第４上部分が形成されており、
その第４上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されていないことを特徴とする請求項１〜６のいずれかの変位センサ。
【請求項８】
ビームは、第１下領域が第２下領域に対して積層方向に相対変位可能であるとともに、積層方向に直交する方向にも変位可能であるように、第１下領域と第２下領域を接続していることを特徴とする請求項７の変位センサ。
【請求項９】
第１下領域は第２下領域によって取囲まれており、
第２下領域の下面からセンサ支持構造体に向けて伸びる支柱部が形成されており、
その支柱部の延長上に位置する導電性下層と残部の導電性下層の間に、支柱部を一巡するスリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの変位センサ。
【請求項１０】
導電性下層と絶縁層と導電性上層が積層された基板から、選択された部分が残るように部分的に除去されて形成される変位センサであって、
導電性下層には導電性下層を貫通する溝が形成され、第１下領域と第２下領域に分離されており、
導電性上層は、コンデンサの一方の電極を形成するように選択的に残され、そのコンデンサの電極を形成する選択された上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びており、
絶縁層は、選択された上部分と第１下領域の間では除去されており、選択された上部分と第２下領域の間では残されている変位センサ。
【請求項１１】
導電性下層と絶縁層と導電性上層が積層されている基板から変位センサを製造する方法であり、
導電性下層に導電性下層を貫通する溝を形成して第１下領域と第２下領域に分離する工程と、
導電性上層を部分的にエッチングし、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている部分を残す工程と、
第１下領域の上方に位置している範囲の導電性上層に複数のエッチング孔を形成する工程と、
そのエッチング孔に、導電性下層と導電性上層をエッチングせずに絶縁層をエッチングするエッチング材を供給し、第１下領域とその上方に位置している導電性上層の間に介在していた絶縁層を除去し、第２下領域とその上方に位置している導電性上層の間に介在している絶縁層を残す工程と、
を備えている製造方法。
【請求項１２】
導電性下層と絶縁層と導電性上層を有する積層を備え、
導電性下層は、導電性下層を貫通する溝によって第１下領域と第２下領域に分離されており、
絶縁層は、選択された範囲において導電性下層上に積層されており、
導電性上層は、選択された範囲において絶縁層上に積層されているとともに、第１コンデンサの一方の電極を形成する第１上部分を有しており、
その第１上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びており、
ビームが第１下領域と第２下領域を接続しており、
第１上部分と第１下領域の間には空間が形成されており、
第１上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されている変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力を受けて変位する物体の変位量を検出する変位センサに関する。物体の変位量を検出すれば、その物体に作用した力、あるいはその力を発生させた加速度、角加速度、圧力、外力等を測定することができる。ここでいう変位センサは、変位量に依存して変化する物理量を測定することによって、直接的には変位量を検出し、間接的に、加速度、角加速度、圧力、外力等を測定することが可能なセンサのことをいう。
なお、本明細書では、加速度に応じてマス（質量を有する物体）が変位する現象を利用し、マスの変位量からマスに作用した加速度を測定する変位センサを説明する。しかしながら、本明細書で開示する技術を利用する変位センサを、角加速度、圧力、外力等によってマスが変位する環境で用いれば、マスに作用した角加速度、圧力、外力等を測定することもできる。また、本発明の技術を利用する変位センサは、マスの変位量自体を測定するためにも利用できる。
【背景技術】
【０００２】
加速度を受けると変位するマスとコンデンサを内蔵した加速度センサが開発されている。コンデンサの一方の電極はマスに形成されている。加速度センサに加速度が作用すると、その加速度に応じてマスが変位し、コンデンサの電極間距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。コンデンサの静電容量を測定することによって、加速度センサに作用した加速度を測定することができる。その一例が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平０２−１３４５７０号公報
【０００３】
特開平０２−１３４５７０号公報の加速度センサは、マスと、マスを支持するビームと、マスの上下方向に所定の距離を隔てて配置されている２枚のシリコン板を備えている。ビームは適度な剛性に調整されている。マスの上下両面に電極が形成されている。マスの上面に形成されている電極と上方に配置されているシリコン板が対向することによって、第１コンデンサを構成している。マスの下面に形成されている電極と下方に配置されているシリコン板が対向することによって第２コンデンサを構成している。これにより、一対のコンデンサが上下方向に配置されている。第１コンデンサを構成している電極の面積と第２コンデンサを構成している電極の面積は等しく形成されている。また、第１コンデンサの電極間の距離と第２コンデンサの電極間の距離は等しく形成されている。
【０００４】
加速度センサに下向きの加速度が作用すると、マスに加わる慣性力とビームの復元力が釣合う位置までマスは上方向に変位する。マスが上方向に変位すると、第１コンデンサの電極間の距離が小さくなるとともに、第２コンデンサの電極間の距離は大きくなる。したがって、第１コンデンサの静電容量が増大するとともに、第２コンデンサの静電容量は減少する。第１コンデンサの静電容量の増大量と、第２コンデンサの静電容量の減少量は等しい。
図３２に示すように、マスに加速度が作用していないとき、即ち、マスが基準位置にあるときのそれぞれのコンデンサの静電容量をＣ0とする。加速度が作用したためにマスが変位して一方のコンデンサの静電容量がＣ0＋ΔＣに変化すれば、他方のコンデンサの静電容量はＣ0−ΔＣに変化する。それぞれのコンデンサの静電容量の差（（Ｃ0＋ΔＣ）−（Ｃ0−ΔＣ）＝２ΔＣ）を算出すると、加速度に応じた静電容量の変化量ΔＣのみを検出することができる。それぞれコンデンサの静電容量の差に相当する量を出力する差動センサとすることによって、センサ出力から基準静電容量Ｃ0を除外することができ、変化量が２倍された量２ΔＣを出力するセンサを得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の加速度センサは、マスとその上下方向に配置されているシリコン板との距離を精度よく調整するのが困難である。即ち、コンデンサの電極間の距離を精度よく調整するのが困難である。特許文献１及び従来から知られる加速度センサを製造する場合、ビームを介してマスを支持しているシリコン基板と、コンデンサの一方の電極を構成するシリコン板を、シリコン直接接合法によって接着することによって製造している。シリコン板は、マスから所定の距離を隔てて配置されるように、シリコン基板に対して接着される。
シリコン直接結合法では、シリコン基板とシリコン板を1000°以上に加熱して接着する。高温で接着された加速度センサを室温に戻すと、マスやビームやシリコン板などの熱膨張係数の差、また製造工程時に生じる温度分布のばらつき等により、各構成部材が撓みやすい。そのため、マスとシリコン板で構成されるコンデンサの電極間の距離が一定とならないという事態が起こる。
【０００６】
特許文献１のように、コンデンサの静電容量の変化量から加速度を測定する加速度センサでは、電極間の距離を精度よく製造することが極めて重要である。特に、特開平０２−１３４５７０号公報のように、一対のコンデンサの静電容量の差を利用する差動センサの場合には、一対のコンデンサの電極間の距離を精密に一致させておかないと、作動センサ出力から基準静電容量の影響を除外することができなくなってしまう。差動センサの場合には、一対のコンデンサの電極間の距離を精密に一致させることが非常に重要である。なお、差動センサの場合に限らず、コンデンサを利用する変位センサの場合には、そのコンデンサの電極間の距離を精度よく形成することが重要である。
本発明では、変位量の測定に利用するコンデンサの電極間の距離を所定値に調整することが容易な変位センサの新規で斬新な構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の変位センサは、導電性下層と、導電性下層上に積層されている絶縁層と、絶縁層上に積層されている導電性上層を有する。導電性下層は、その導電性下層を貫通する溝によって第１下領域と第２下領域に分離されている。第１下領域と第２下領域は、ビームによって接続されている。ビームはしなやかであり、第１下領域に力が作用すると、第１下領域は、第２下領域に対して相対的に変位ないし移動する。絶縁層は、選択された範囲において導電性下層上に積層されている。導電性上層は、選択された範囲において絶縁層上に積層されている。導電性上層は、コンデンサの一方の電極を形成する上部分を有する。上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている。上部分と第１下領域の間には絶縁層が形成されておらず、上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されている。
ビームは、第１下領域に力が作用したときに第１下領域が第２下領域に対して変位するように第１下領域と第２下領域を接続する代わりに、第２下領域に力が作用したときに第２下領域が第１下領域に対して変位するように第１下領域と第２下領域を接続するものであってもよい。なお、以下では、第１下領域に力が作用したときに第１下領域が第２下領域に対して変位するように、ビームが第１下領域と第２下領域を接続している場合を説明する。
第１下領域に力が作用すると、第１下領域はその力の大きさに応じて第２下領域に対して変位する。第１下領域が第２下領域に対して変位すると、上部分（導電性上層の一部）と第１下領域（導電性下層の一部）によって構成されているコンデンサの電極間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。コンデンサの静電容量の変化量を、静電容量検出回路を用いて検出することによって、第１下領域の変位量を測定することができる。その変位量から第１下領域に作用した力を測定することもできる。第１下領域に力が作用しないとき、即ち、第１下領域が第２下領域に対して相対的に変位していないとき、導電性上層の一部と導電性下層の一部によって構成されているコンデンサの電極間の距離は、絶縁層の厚みに基づいて調整されている。第１下領域と第２下領域が相対的に変位してしないときのコンデンサの電極間の距離を精度よく形成することができる。
【０００８】
一対のコンデンサの静電容量の差を検出することによって、静電容量の変化量を取出すためには、第１下領域と第２下領域が相対的に変位してしないときの一対のコンデンサの電極間の距離を一致させることが重要である。優れた差動型変位センサを得るためには、電極間の距離が一致した一対のコンデンサを得ることが重要である。本発明は、この課題に対して有効に対処することができる。
静電容量の変化量のみを取出すことができる変位センサを実現するためには、導電性上層に第２上部分を形成する。第２上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている。第２上部分と第１下領域の間には絶縁層が形成されており、第２上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されていない。第１コンデンサは第１上部分と第１下領域の間に形成されており、第２コンデンサは第２上部分と第２下領域の間に形成されている。
第１下領域と第２下領域が相対的に変位してしないときの一対のコンデンサの電極間の距離は一致しており、一対のコンデンサの静電容量は等しい。第１下領域と第２下領域が相対的に積層方向に変位すると、第１コンデンサの電極間距離は拡大し、第２コンデンサの電極間距離は縮小する。第１コンデンサと第２コンデンサの静電容量の差を検出することによって、静電容量の変化量を取出すことができる。
この場合のビームも、第１下領域と第２下領域のいずれかを変位可能に支持すればよい。以下では、第１下領域に力が作用すると第１下領域が第２下領域に対して変位するように、ビームが第１下領域と第２下領域を接続している場合を説明する。
上記の変位センサでは、第１コンデンサを構成する第１下領域と、第２コンデンサを構成する第２上部分が絶縁層を介して連結している。したがって、第１下領域が変位して第１コンデンサの電極間の距離が大きくなれば、第２コンデンサの電極間の距離が小さくなる。逆に、第１コンデンサの電極間の距離が小さくなれば、第２コンデンサの電極間の距離が大きくなる。第１コンデンサを構成する電極の面積と第２コンデンサを構成する電極の面積が等しく形成されている。さらに、第１下領域と第２下領域が相対的に変位していないときの第１コンデンサの電極間の距離と第２コンデンサの電極間の距離が等しく形成されている。したがって、第１コンデンサと第２コンデンサの基準位置における静電容量は一致している。静電容量の変化量を差動で検出することができる。
【０００９】
第１下領域は第２下領域によって取囲まれており、第２上部分に対向する第２下領域の範囲は、第２下領域の残部から絶縁されていることが好ましい。
第２上部分に対向する第２下領域を第２下領域の残部から絶縁するためには、例えば第２下領域にスリットを形成して空間的に分離する方法や、第２下領域に絶縁性の領域を形成する方法を挙げることができる。
第２上部分に対向する第２下領域の範囲は、第２コンデンサの一方の電極を構成している。第２コンデンサを構成する第２下領域の範囲を、残部の第２下領域から電気的に分離することによって、その残部の第２下領域に影響している電気的なノイズ等の影響が、第２コンデンサを構成する第２下領域に及ぶことを抑制することができる。第２コンデンサで検出される静電容量にノイズが含まれることを抑制することができる。
なお、第２コンデンサを構成する第２下領域の範囲を第２下領域の残部から絶縁するためのスリット又は絶縁性の領域等は、第２上部分の輪郭線に対応している必要はない。第２上部分に対向する第２下領域に、電気的なノイズ等の影響が及ぶのを低減することができる位置に形成されていればよい。
【００１０】
第１下領域の表面の一部に絶縁層と導電性上層が積層されており、その絶縁層の一部が除去されて第１下領域と第１下領域上に積層されている導電性上層が電気的に接続されていることが好ましい。この場合、コンデンサ容量検出回路が、第１上部分と、第１下領域上に積層されている導電性上層と、第２下領域のそれぞれに接続されることが好ましい。
第２コンデンサを構成する第２下領域にコンデンサ容量検出回路を直接的に接続するのに代えて、第２コンデンサを構成する第２下領域と第２下領域上に積層されている導電性上層を電気的に接触させ、コンデンサ容量検出回路をその導電性上層に接続させてもよい。コンデンサ容量検出回路を導電性上層に接続すると、他の２つの配線も含めて、コンデンサ容量検出回路の配線を全て導電性上層に対して接続することができる。ワイヤボンディングなどの加工が極めて簡単となる。
第１下領域と第１下領域上に積層されている導電性上層を電気的に隔てると、寄生のコンデンサが形成され得る。この寄生のコンデンサが、コンデンサの静電容量にエラーを与え得る。第１下領域と第１下領域上に積層されている導電性上層によって形成される寄生のコンデンサの影響を、第１下領域と第１下領域上に積層されている導電性上層を電気的に接触させることによって排除することができる。検出される静電容量に、寄生のコンデンサの静電容量を含んでしまうことを抑制することができる。より正確な検出が可能となる。
第１上部分と、第１下領域上に積層されている導電性上層の間に接続されるコンデンサ容量検出回路によって、第１コンデンサの静電容量を検出することができる。第１下領域上に積層されている導電性上層と第２下領域の間に接続されるコンデンサ容量検出回路によって、第２コンデンサの静電容量を検出することができる。第１コンデンサの静電容量と第２コンデンサの静電容量との差を算出する差動センサ得ることができる。
【００１１】
第１下領域と第２下領域を接続するビームを導電性上層で形成することができる。導電性上層の一部でビームを構成し、そのビームの両端部が絶縁層を介して第１下領域と第２下領域に接続されていることが好ましい。
導電性上層を利用してビームを製造すると、ビーム用の部材を別個に用意しなくてもよい。構造が単純化され、作り易い構造とすることができる。
【００１２】
導電性上層の一部でビームを形成する場合、ビームの両端部以外では、導電性上層と導電性下層との間に、絶縁層が形成されていないことが好ましい。
この場合のビームも、第１下領域と第２下領域のいずれかを変位可能に接続するものであればよい。以下では、第１下領域に力が作用すると第１下領域が第２下領域に対して変位するように、ビームが第１下領域と第２下領域を接続している場合を説明する。
第２下領域側から張出して第１コンデンサを形成する第１上部分と、第１下領域側から張出して第２コンデンサを形成する第２上部分は短く、それ自体は撓まないことが好ましい。第１上部分と第２上部分が撓むと、第１コンデンサと第２コンデンサの電極間の距離に、第１下領域の変位以外の要素が影響し、測定結果に誤差をもたらす。第１上部分と第２上部分を短くする必要があり、そのためには第１下領域と第２下領域を分離する溝の幅を狭くする必要がある。しかしながら、第１下領域と第２下領域を分離する溝の幅を狭くすると、通常は第１下領域と第２下領域を接続するビーム長が短くなってしまう。ビーム長が長いほうが第１下領域が変位しやすく、センサ感度を向上させることができる。
そこで、第２下領域の上方を長く伸びている導電性上層によってビームを形成する。ビームの両端部以外では、導電性上層と導電性下層との間に、絶縁層が形成されていない。これにより、長いビームを得ることができる。コンデンサは絶縁層を除去することによって形成されることから、第１下領域が変位する範囲は、絶縁層の膜厚の範囲内で変位できればよい。したがって、ビームを構成する導電性上層の下方に位置する絶縁層を除去するだけで、ビームの変形に必要なクリアランスを確保することができる。
絶縁層を除去することによってビーム変形に必要なクリアランスを確保すると、第１下領域と第２下領域の間の溝の幅は狭くすることができ、第１下領域と第２下領域を接近させることができるので、第２下領域から張出して第１コンデンサを形成する第１上部分と第１下領域から張出して第２コンデンサを形成する第２上部分を短くすることができる。これにより、延長部が撓みにくくなり、センサ精度を向上させることができる。また、第１下領域を大型で重いものにすることができる。第１下領域が重いと、第１下領域が変位しやすい。長いビームと重い第１下領域を利用することによって、センサ感度を向上させることができる。また、第１上部分と第２上部分を短くすることによって、センサの感度と精度を向上させることができる。
【００１３】
第１下領域が第２下領域によって取囲まれている場合、導電性上層を利用して、第１下領域の上方を通過するとともに、第１下領域を挟んで向い合う第２下領域の２つの部分同士を結ぶ第３上部分と、第１下領域上に絶縁層を介して積層されているとともに第１下領域を挟んで向い合う第２下領域の２つの部分の上方に張出す第４上部分を形成してもよい。この場合、第３上部分と第１下領域の間には絶縁層を形成しない。また、第４上部分と第２下領域の間には絶縁層を形成しない
この場合のビームは、第１下領域に力が作用すると第１下領域が第２下領域に対して変位するように、第２下領域と第１下領域を接続している。
第３上部分に電圧を印加すると、第１下領域と第３上部分の間に発生する静電引力によって、第１下領域は第３上部分側に引き寄せられる。一方、第４上部分に電圧を印加すると、第２下領域と第４上部分の間に発生する静電引力によって、第２下領域は第４上部分側に引き寄せられる。
上記の変位センサは、第３上部分及び／又は第４上部分に電圧を印加することによって、第１下領域が第２下領域に対して相対的に変位するのを禁止するように用いられる。第１下領域が変位するのを禁止するのに必要とされた第３上部分及び／又は第４上部分に印加した電圧の大きさから、第１下領域に作用した力を検出し、その力を生じせしめた物理量（例えば、加速度）を検出することができる。測定可能な物理量が、ビームの撓み幅で制限されることがなくなるので、測定可能範囲を広くすることができる。
【００１４】
第１積層部の変位を抑制することによって第１積層部に作用する物理量を検出する変位センサは、多軸方向の変位センサとして用いるのが特に好適である。この場合のビームは、
第１下領域が第２下領域に対して、積層方向にも相対変位可能であり、かつ、積層方向に直交する方向にも変位可能であるように、第１下領域と第２下領域を接続していることが好ましい。
積層方向をｚ軸方向とすると、ｚ軸方向とそれに直交するｘ軸方向の２軸方向の変位を測定する変位センサとして用いてもよく、さらにｙ軸方向を加えて３軸方向の変位を測定する変位センサとして用いてもよい。
上記の変位センサによると、第１下領域の変位を禁止しているので、一方の軸方向に働く力によって第１下領域が変位し、他方の軸方向に関する検出値が変動してしまうという問題が生じない。したがって、多軸方向の力の測定を正確に行うことができる。なかでも、３軸加速度センサのように、その構成が複雑化する傾向にある場合に特に有効である。本発明の変位センサによれば、必要に応じて、コンデンサ容量検出回路の全ての配線を導電性上層に接続することができる。したがって、３軸加速度センサの構成を簡単化することができる。
【００１５】
第１下領域は第２下領域によって取囲まれている場合、第２下領域の下面からセンサ支持構造体に向けて伸びる支柱部を形成することによって、センサを支持構造体に固定することができる。この場合、その支柱部の延長上に位置する導電性下層と残部の導電性下層の間に、支柱部を一巡するスリットを形成することが好ましい。
この種の変位センサは一般的に、センサ支持構造体に実装され、センサ支持構造体が測定対象物体に固定されて用いられる。センサ支持構造体を測定対象物体に固定するときに、変位センサに残留応力が作用し、例えば変位センサを構成するビームに撓みが生じるなどの事態が発生することがある。このため、正確な測定が困難になることが多い。また、センサ支持構造体自体の膨張などにより、変位センサに応力が作用することも懸念される。
上記の変位センサでは、スリットにバネとしての機能を持たせる。スリットをバネとして機能させれば、上記の原因によって変位センサに作用する応力を緩和することができる。
なお、変位センサの支柱部とセンサ支持構造体を固定する場合には、絶縁性の固着材を利用するのが好ましい。変位センサの導電性下層を、外部の環境から絶縁することができる。
【００１６】
本発明のセンサを製造するためには、導電性下層と絶縁層と導電性上層が積層された基板を好適に利用することができる。例えば、シリコンの下層と酸化シリコンの絶縁層とシリコンの上層が積層されたＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を好適に用いることができる。ＳＯＩ基板の絶縁層の膜厚は、一定値に精密に管理されている。したがって、ＳＯＩ基板を利用すると、コンデンサの電極間の距離が一定値に精密に調整された変位センサを得ることが容易となる。
本発明の変位センサは、下記のように定義することもできる。本発明の変位センサは、導電性下層と絶縁層と導電性上層が積層された基板から形成されている。変位センサは、積層基板の選択された部分が残るように部分的に除去されて形成されている。即ち、導電性下層には導電性下層を貫通する溝が形成されており、第１下領域と第２下領域に分離されている。導電性上層は、コンデンサの一方の電極を形成するように、選択的に残されている。コンデンサの電極を形成する「選択された上部分」は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている。絶縁層は、「選択された上部分」と第１下領域の間では除去されており、「選択された上部分」と第２下領域の間では残されている。
上記の変位センサの一つの特徴は、積層基板を利用していることである。積層基板を用いて変位センサを製造するので、コンデンサの電極間の距離を所定値に調整し易いという特徴がある。すなわち、上記の変位センサでは、絶縁層を除去することによってコンデンサを製造することができる。コンデンサの電極間の距離は、予め調整されていた絶縁層の膜厚に基づいて調整される。積層基板を構成する絶縁層の膜厚を予め所定値に調整しておけば、コンデンサの電極間の距離を所定値に形成することができる。この変位センサは、所望のセンサ特性を発揮するセンサを作り易い構造といえる。
また、コンデンサの電極間の距離は小さいほど静電容量が大きくなる。コンデンサの電極間の距離が小さいほど、同一の変位量に対して静電容量の変化量が大きいセンサを得ることができる。即ち、コンデンサの電極間の距離が小さいほど、測定感度が高いセンサを得ることができる。上記の変位センサでは、膜厚の薄い絶縁層を予め準備しておけば、コンデンサの電極間の距離が小さい変位センサを容易に得ることができる。センサ特性が安定しており、そのセンサ特性が高感度な変位センサを得ることができる。
【００１７】
積層構造の一例としてＳＯＩ基板を用いた場合、絶縁層に相当するシリコン酸化膜をエッチングして除去すれば、電極間の距離が所定値に調整されたコンデンサを容易に形成することがきる。
エッチング技術を用いれば、従来の製造方法（シリコン直接結合法）のように、センサを高温の雰囲気化で製造する必要がないので、各構成要素の熱膨張係数の差などに起因する問題は回避できる。さらに、耐熱性の弱い材料であっても使用可能となるので、変位センサに使用できる材料の選択肢を広げることができる。従来の変位センサを製造する場合は、低融点であるアルミニウムを配線や電極の材料として利用することが困難であった。一方、本発明の変位センサではアルミニウムを使用することが可能となる。既存の加工技術を有効に利用することができる。
【００１８】
本発明はまた、導電性下層と絶縁層と導電性上層が積層されている基板から変位センサを製造方法を提供する。この方法は、導電性下層に導電性下層を貫通する溝を形成して第１下領域と第２下領域に分離する工程と、導電性上層を部分的にエッチングして第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている部分を残す工程と、第１下領域の上方に位置している範囲の導電性上層に複数のエッチング孔を形成する工程と、そのエッチング孔に、導電性下層と導電性上層をエッチングせずに絶縁層をエッチングするエッチング材を供給し、第１下領域とその上方に位置している導電性上層の間に介在していた絶縁層を除去し、第２下領域とその上方に位置している導電性上層の間に介在している絶縁層を残す工程を備えている。
【００１９】
本発明の製造方法では、一定の膜厚の絶縁層を、エッチング技術を用いて除去する。絶縁層が除去されることによって形成される導電性上層と導電性下層の間の距離は、絶縁層の膜厚に基づいて調整される。電極間の距離が一定値に調整されたコンデンサを容易に形成することができる。
また、シリコン直接結合法を用いて変位センサを製造する従来技術の場合は、比較的に大きな接着面積を必要とするので、センサの小型化に限界があった。しかしながら、本発明の製造方法を利用すると、エッチング技術を用いることで微小な加工が可能となる。センサの小型化を実現し易い。
【００２０】
本発明の変位センサは、導電性下層と、導電性下層上に積層されている絶縁層と、絶縁層上に積層されている導電性上層を有する。導電性下層は、その導電性下層を貫通する溝によって第１下領域と第２下領域に分離されている。第１下領域と第２下領域は、ビームによって接続されている。ビームはしなやかであり、第１下領域に力が作用すると、第１下領域は、第２下領域に対して相対的に変位ないし移動する。絶縁層は、選択された範囲において導電性下層上に積層されている。導電性上層は、選択された範囲において絶縁層上に積層されている。導電性上層は、コンデンサの一方の電極を形成する上部分を有する。上部分は、第１下領域の上方位置から第２下領域の上方位置まで伸びている。上部分と第１下領域の間には空間が形成されており、上部分と第２下領域の間には絶縁層が形成されている。
上部分と第１下領域によってコンデンサが形成されている。上部分と第１下領域の間に空間が形成されているので、コンデンサの電極間の距離は変化することが可能となる。コンデンサの静電容量の変化量を、静電容量検出回路を用いて検出することによって、第１下領域の変位量を測定することができる。
コンデンサの電極間の距離が変化するためには、上部分と第１下領域の間に空間を形成することが重要である。空間は、上部分と第１下領域の間の空間を除去することによって形成されるが、絶縁層を完全に除去する必要はない。第１下領域と対向する上部分の表面、及び上部分に対向する第１下領域の表面のいずれか一方、又は両者に、薄い絶縁膜が被覆されていてもよい。絶縁層よりも薄い絶縁膜が表面に被覆されていると、上部分と第１下領域の間に空間が確保されるとともに、強い力が作用して上部分と第１下領域が接触したとしても、両者間の短絡を防止することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、電極間の距離が一定値に調整されたコンデンサを容易に製造することができ、センサ特性が一定値に調整された変位センサを歩留まりよく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい特徴を記述する。
（形態１）
センサは、導電性下層を貫通する溝によって第１下領域と第２下領域に分離されている導電性下層を備えている。センサは、第１下領域が第２下領域に対して相対的に変位した距離を検出する。
（形態２）
第１下領域は第２下領域の中心に位置している。第２下領域は第１下領域を取り囲んでいる。ビームは、第１下領域上の隅部から、第１下領域の重心に対して対称方向に伸びている。
（形態３）
一対の変位センサが並置されている。一方の変位センサのビームは長く、他方の変位センサのビームは短いが、その他の構造・形状は同一である。他方の変位センサのビームは十分に短く、第１下領域の変位を実質的には禁止している。これを参照用センサという。
参照用センサを備えていると、両センサの出力差を取ることによって、電気ノイズや温度ドリフトなどの影響を相殺することができる。差動センサと同様に、静電容量の変化量のみを検出することができる。より正確な測定が可能となる。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明のいくつかの実施例を示す。これは、本発明の例を示すものであり、本発明を限定するものではない。
【００２４】
(第１実施例)
図１〜図３に、第１実施例の加速度センサ１０００の構造を模式的に示す。図１は加速度センサ１０００の平面図である。図２は図１中のII−II線の縦断面図に対応している。図３は図１中のIII−III線の縦断面図に対応している。加速度センサ１０００は、ｚ軸方向（図１では紙面垂直方向であり、図２と図３では紙面上下方向となる）の加速度を測定するために用いられる。
【００２５】
まず、図１〜図３を参照して加速度センサ１０００の構造を簡単に説明する。
加速度センサ１０００は、積層構造を有するSOI(Silicon on Insulator)基板を利用して形成されている。積層構造は、単結晶シリコンからなる導電性下層４０と、導電性下層４０上に積層され酸化シリコンからなる絶縁層５０と、単結晶シリコンからなる導電性上層２０を備えている。絶縁層５０は、導電性下層４０と導電性上層２０を絶縁している。導電性下層４０と導電性上層２０には、不純物が高濃度に導入されており、実質的に導体である。
導電性下層４０は、導電性下層４０を貫通する分離溝４１によって、第１下領域４４と第２下領域４２に分離されている。分離溝４１は、第１下領域４４を第２下領域４２から
機械的にも電気的にも分離している。分離溝４１は、第１下領域４４を一巡している。第２下領域４２は、第１下領域４４を取り囲んでいる。
【００２６】
図１に示すように、分離溝４１よりも外側に位置する導電性上層２０と絶縁層５０の大部分は除去されており、第２下領域４２の表面の大部分が露出している。絶縁層５０の中心部分５４は、第１下領域４４上に積層されている。この絶縁層５０の中心部分５４を第１絶縁層５４という。また、絶縁層５０は、選択された範囲において、第２下領域４２上に積層されている。具体的には、上部分固定絶縁層５２、５６、及びビーム固定絶縁層５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを形成するために残された絶縁層に関しては後に説明する。導電性上層２０の中心部分２４は、第１絶縁層５４上に積層されている。導電性上層２０の中心部分２４は、第１導電性上層という。第１下領域４４と第１絶縁層５４と第１導電性上層２４は連結し、マスＭを形成している。第１下領域４４と第１絶縁層５４と第１導電性上層２４が、加速度センサ１０００に作用する加速度を受けて変位するマスＭとして機能する。
【００２７】
導電性上層２０は、コンデンサの一方の電極Ｃ１を形成する上部分２２を備えている。導電性上層２０は、コンデンサの一方の電極Ｃ２を形成する上部分２６を備えている。上部分２２、２６は、第１下領域４４の上方位置から第２下領域４２の上方位置まで伸びている。上部分２２、２６と第２下領域４２の間には絶縁層５０が形成されている。上部分２２、２６と第２下領域４２を接続する絶縁層５０を上部分固定絶縁膜５２、５６という。上部分２２、２６のうちの張出し部分２２ａ、２６ａと第１下領域４４の間には絶縁層５０が形成されていない。張出し部分２２ａ、２６ａと対向部分４４ａ、４４ｂの間の絶縁層５０が除去されることによって、空間３２、３４が形成されている。コンデンサＣ１は、上部分２２のうちの張出し部分２２ａと第１下領域４４のうちの対向部分４４ａによって形成されている。コンデンサＣ２は、上部分２６のうちの張出し部分２６ａと第１下領域４４のうちの対向部分４４ｂによって形成されている。加速度センサ１０００では、張出し部分２２ａ、２６ａがコンデンサＣ１、Ｃ２の固定電極として機能し、対向部分４４ａ、４４ｂがコンデンサＣ１、Ｃ２の可動電極として機能する。
なお、張出し部分２２ａ、２６ａに複数の開口が形成されている。複数の開口は、絶縁層５０をエッチングするために利用される。これについては後の製造方法の説明のときに詳細する。
【００２８】
加速度センサ１０００は、第１下領域４４と第２下領域４２を接続するビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄを備えている。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄは、第１導電性上層２４の隅部から第２下領域４２の周辺側に向かって、第２下領域４２上を伸びている。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄは、導電性上層２０で形成されている。
図１と３に示すように、ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの内側端部は、第１絶縁層５４を介して第１下領域４４に接続している。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの外側端部８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄは、ビーム固定絶縁膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを介して第２下領域４２に接続している。
絶縁層５０は、ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの両端部において、導電性上層２０と導電性下層４０の間に残されている。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄは、第２下領域４２の上方を、第２下領域４２の周辺に向けて長く伸びている。
【００２９】
第１下領域４４と第１絶縁層５４と第１導電性上層２４は、第２下領域４２に対して変位可能にビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄによって支持されている。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄは、第２下領域４２から絶縁層５０の厚みに相当する空間３６、３８を隔てて伸びている。ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄと第２下領域４２の間の空間３６、３８は、絶縁層５０を除去することによって形成されている。
なお、加速度センサ１０００では、第２下領域４２上の導電性上層２０と絶縁層５０の大部分が除去されている例を説明しているが、これに代えて、ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ周辺の導電性上層２０と絶縁層５０のみを除去してもよい。要は、周辺を除去することによって、ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄが形成されていればよい。この場合の加速度センサも、同様の作用効果を奏することができる。
【００３０】
図２を用いて、この加速度センサ１０００に加速度が作用したときの動作を説明する。加速度センサ１０００にｚ軸方向の加速度が作用すると、マスに加わる慣性力とビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの復元力が釣合う位置までマスＭは上下方向に変位する。マスＭが変位すると、空間３２、３４の距離が変化する。例えば図２の紙面上方向の加速度が印加されたとすると、マスＭは下方向へ変位する。これにより、空間３２、３４の距離が大きくなる。コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量は、空間３２、３４の距離の変化に基づいて変化する。このコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量の変化量を検出して、その変化量を換算して加速度が測定される。
空間３２、３４が、絶縁層５０と同一面内に形成されている。空間３２、３４の距離は、絶縁層５０の厚みと実質的に等しく形成されている。空間３２、３４は、絶縁層５０を除去することによって形成されるので、空間３２、３４の距離は絶縁層５０の厚みに基づいて調整される。絶縁層５０の膜厚を予め調整しておけば、空間３２、３４の距離を所定の値に精度よく調整することができる。したがって、マスＭに加速度が作用していないとき、即ち、マスＭが基準位置にあるときのコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量を精度よく調整することができる。加速度センサ１０００は、所望の特性を備えることが容易な構造と言える。
【００３１】
次に、コンデンサ容量検出回路１０を備えることによって、加速度を測定する場合について説明する。図１に示す図示１１、１２、１３はコンデンサ容量検出回路１０の接続箇所である。コンデンサ容量回路は、図示１１と図示１２との間に接続してもよく、図示１１と図示１３との間に接続してもよく、あるいは図示１２と図示１３との間に接続してもよい。
まず、図示１１と図示１２との間にコンデンサ容量回路を接続する場合を説明する。
図示右側の上部分２２と、図示左側の上部分２６の間にコンデンサ容量検出回路１０を接続する。図４に、この間の等価回路を示す（１１−１２）。この間のコンデンサ容量検出回路１０で検出される容量(Ｃａ)は、図示右側の空間３２の静電容量(Ｃ１)と、図示左側の空間３４の静電容量(Ｃ２)が直列に接続されている場合と等価な合成容量(Ｃａ)として検出される。空間３２と空間３４の電極間の距離と対向面積は等しいので、空間３２の静電容量(Ｃ１)と空間３４の静電容量(Ｃ２)は等しい。したがって、コンデンサ容量検出回路１０を用いて合成容量(Ｃａ)の変化量を検出すれば、空間３２及び空間３４の静電容量の変化量が検出される。検出された静電容量の変化量から作用した加速度を測定することができる。
【００３２】
次に、図示１１と図示１３の間にコンデンサ容量回路を接続する場合を説明する。
図示右側の上部分２２と、ビーム８４ｂの端部８２ｂとの間にコンデンサ容量検出回路１０を接続する。ビーム８４ｂの端部８２ｂに代えて、第１導電性上層２４にコンデンサ容量検出回路１０を接続させてもよい。第１導電性上層２４とビーム８４ｂの端部８２ｂは、導電性のビーム８４ｂで電気的に接続しているので、ビーム８４ｂの端部８２ｂにコンデンサ容量検出回路１０を接続させても、第１導電性上層２４にコンデンサ容量検出回路１０を接続させることと等価である。ビーム８４ｂの端部８２ｂは、加速度に対して変位しないので、コンデンサ容量検出回路１０はビーム８４ｂの端部８２ｂに接続させるのが好ましい。
図４に、この間の等価回路を示す（１１−１３）。この間のコンデンサ容量検出回路１０で検出される合成容量(Ｃｂ)は、右側の空間３２の静電容量(Ｃ１)と、第１導電性上層２４と第１絶縁層５４と第１下領域４４で形成される結合容量(Ｃ３)が直列に接続されている場合と等価な合成容量(Ｃｂ)として検出することができる。
第１導電性上層２４と第１絶縁層５４と第１下領域４４で形成される容量(Ｃ３)は、マスＭの変位に対して変化しない固定の容量(Ｃ３)である。センサ出力に一定のオフセット値が加わることに相当する。センサ出力処理回路に結合容量Ｃ３を除去する回路を設けておけば、結合容量Ｃ３の影響を除去することができる。第１下領域４４と第１導電性上層２４を電気的に接触させて、容量(Ｃ３)を無くしてもよい。より正確な測定を実現できる。コンデンサ容量検出回路１０で検出される静電容量の変化量から、加速度を測定することができる。
なお、図示１２と図示１３との間にコンデンサ容量回路を接続する場合は、上記の図示１１と図示１３の間にコンデンサ容量回路を接続する場合と同様の手法を利用して加速度を測定することができる。
【００３３】
マスＭがｙ軸方向を軸として回転運動する場合がある。印加される加速度に対してマスＭが回転運動をすると、空間３２の電極間の距離が小さくなると空間３４の電極間距離は大きくなる。マスＭが逆方向に回転運動をすると、空間３２の電極間距離が大きくなると空間３４の電極間距離は小さくなる。それぞれの空間３２、３４によって形成されるコンデンサＣ１、Ｃ２にコンデンサ容量検出回路を接続しておけば、それぞれの空間３２、３４によって形成されるコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量を検出することができる。その差を算出することで静電容量の変化量を差動で検出することができる。
なお、加速度センサ１０００では、コンデンサが第１下領域４４と上部分２２、２６の間に形成されているが、これに代えて、コンデンサが第２下領域４２と上部分２２、２６の間に形成されていてもよい。
【００３４】
(第２実施例)
図５と図６に、第２実施例の加速度センサ１１００の構造を模式的に示す。なお、第１実施例とほぼ同一の構成要素に関しては、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。加速度センサ１１００は、一対のコンデンサＣ１、Ｃ４の静電容量の変化量を差動で検出するタイプである。
図５と図６に示すように、加速度センサ１１００の導電性上層２０は、コンデンサＣ１の一方の電極を形成する第１上部分２２を備えている。第１上部分２２は、第１下領域４４の上方位置から第２下領域４２の上方位置まで伸びている。第１上部分２２と第２下領域４２の間には第１固定絶縁層５２が形成されている。第１上部分２２のうちの第１張出し部分２２ａと第１下領域４４の間には絶縁層５０が形成されていない。第１張出し部分２２ａと第１下領域４４のうちの第１対向部分４４ａによって、第１コンデンサＣ１が形成されている。
図５と図６に示すように、加速度センサ１１００の導電性上層２０はさらに、第２コンデンサＣ４の一方の電極を形成する第２上部分２４を備えている。
第２上部分２４は、第１下領域４４の上方位置から第２下領域４２の上方位置まで伸びている。第２上部分２４と第１下領域４４の間には第２固定絶縁層５４が形成されている。第２上部分２４のうちの第２張出し部分２４ａと第１下領域４２の間には絶縁層５０が形成されていない。第２張出し部分２４ａと第２対向部分４６ａによって、第２コンデンサＣ４が形成されている。
張出し部分２２ａ、２４ａと対向部分４４ａ、４６ｂの間の絶縁層５０が除去されることによって、空間３２、３４が形成されている。
【００３５】
加速度センサ１１００では、第１張出し部分２２ａと第２対向部分４６ａが固定電極であり、第２張出し部分２４ａと第１対向部分４４ａが可動電極として機能する。第１コンデンサＣ１の面積と、第２のコンデンサＣ４の対向している面積は等しく形成されている。加速度センサ１１００は、空間３２、３４が、絶縁層５０と同一面内に形成されている。空間３２、３４の距離は、絶縁層５０の厚みと実質的に等しく形成されている。空間３２、３４は、絶縁層５０を除去することによって形成されるので、空間３２、３４の距離は絶縁層５０の厚みに基づいて調整される。絶縁層５０の膜厚を予め調整しておけば、空間３２、３４の距離を所定の値に精度よく調整することができる。したがって、マスMに加速度が作用していないとき、即ち、マスMが基準位置にあるときのコンデンサＣ１、Ｃ４の静電容量を精度よく調整することができる。加速度センサ１１００は、所望の特性を備えることが容易な構造と言える。
【００３６】
図６を用いて、この加速度センサ１１００に加速度が作用したときの動作を説明する。加速度センサ１１００にｚ軸方向の加速度が印加されると、マスＭに加わる慣性力とビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの復元力が釣合う位置までマスはｚ軸方向に変位する。マスが変位すると、第１コンデンサＣ１を構成する第１対向部分４４ａと、第２コンデンサＣ４を構成する第２張出し部分２４ａは連動して変位する。例えば、紙面上方向の加速度が印加されたとすると、マスＭは下方向へ変位する。したがって、第１空間３２の距離は大きくなり、第２空間３４の距離は小さくなる。第１コンデンサＣ１の対向する面積と第２コンデンサＣ４の対向する面積は等しいので、それぞれの静電容量の変化量はその大きさが等しく正負が逆である。したがって、それぞれのコンデンサＣ１とＣ４の静電容量の差を算出すると、静電容量の変化量のみを約２倍の感度で検出することができる。それぞれのコンデンサＣ１とＣ４の静電容量の差を算出すると、コンデンサＣ１とＣ４の初期位置の静電容量は相殺される。静電容量の変化量を換算して加速度が測定される。
なお、加速度センサ１１００に加速度が作用していないときの第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ４の静電容量は一致していることが好ましいが、この場合に限定されるものではない。第１コンデンサＣ１の電極間の距離と第２コンデンサＣ４の電極間の距離が異なっている場合、又は第１コンデンサＣ１の電極の面積と第２コンデンサＣ４の電極の面積が異なっている場合は、第１コンデンサＣ１の静電容量と第２コンデンサＣ４の静電容量が相違してしまう。この場合、初期位置における第１コンデンサＣ１の静電容量と第２コンデンサＣ４の静電容量の差を予め測定しておくことによって、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ４の静電容量の相違に基づく影響を取り除くことができる。
【００３７】
次に、コンデンサ容量回路を備えることによって加速度を測定する場合について説明する。
図５に示すように、図示１１、１３、１４がコンデンサ容量回路の接続箇所である。
本実施例では、２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂを用いる。一つのコンデンサ容量検出回路１０ｂは、第１上部分２２とビーム８４ｂの端部８２ｂとの間に接続する(１１−１３)。このコンデンサ容量検出回路１０ｂによって、第１コンデンサＣ１の静電容量を検出することができる。他方のコンデンサ容量検出回路１０ａは、第２下領域４２とビーム８４ｂの端部８２ｂとの間に接続する(１３−１４)。このコンデンサ容量検出回路１０ａによって、第２コンデンサＣ４の静電容量を検出することができる。
本実施例では、ビーム８４ｂの端部８２ｂに発振回路を用いて高周波(1ＫＨｚ〜100ＭＨｚ)を印加する。すると、第１上部分２２とビーム８４ｂの端部８２ｂとの間(１１−１３)の合成静電容量と、第２下領域４２とビーム８４ｂの端部８２ｂとの間(１３−１４)の合成静電容量を同時に検出することができる。図７に、それぞれのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂによって検出される合成容量の等価回路を示す。Ｃ１は第１コンデンサの容量であり、Ｃ４は第２コンデンサの容量であり、Ｃ３は第１導電性上層２４と第１絶縁層５４と第１下領域４４で形成される静電容量である。静電容量(Ｃ３)は、マスＭの変位に対して変化しない固定の静電容量(Ｃ３)であり、容量Ｃ３を除去する回路を設けておけば、静電容量Ｃ３の影響を除去することができる。２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂで検出されるそれぞれの静電容量の差を算出すると、初期位置の静電容量が相殺されて、静電容量の変化量のみを約２倍の感度で検出することができる。
【００３８】
(第３実施例)
図８と図９に、第３実施例の加速度センサ１２００の構造を模式的に示す。加速度センサ１２００は、第２実施例の加速度センサ１１００の変形例である。
図８と図９に示すように、加速度センサ１２００では、第２上部分２４の第２張出し部分２４ａに対向する第２対向部分４６ａを含む範囲（以下、第２対向下領域４６という）が、第２下領域４２の残部から絶縁されている。第２対向下領域４６は、導電性下層４０を貫通するスリット４９によって残部の第２下領域４２から絶縁されている。スリット４９は、分離溝４１と連結している。
図９に示すように、第２対向下領域４６は絶縁層５０の一部５３を介して第２下領域４２に固定されている。第２対向下領域４６は、第２下領域４２からスリット４９によって電気的に隔てられているものの、絶縁層５０の一部５３を介して機械的に固定されている。したがって、第２対向下領域４６は第２下領域４２に対して、作用する加速度に応じて変位することはない。第２対向下領域４６は固定電極として機能する。
【００３９】
次に、コンデンサ容量回路を備えることによって加速度を測定する場合について説明する。図８に示すように、図示１１、１３、１５がコンデンサ容量回路の接続箇所である。
本実施例では、２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂを用いる。一つのコンデンサ容量検出回路１０ｂは、第１上部分２２とビーム８４ｂの端部８２ｂとの間に接続する(１１−１３)。このコンデンサ容量検出回路１０ｂによって第１コンデンサＣ１の静電容量を検出することができる。他方のコンデンサ容量検出回路１０ａは、第１導電性上層２４と第２対向下領域４６に接続する(１３−１５)。このコンデンサ容量検出回路１０ａによって第２コンデンサＣ４の静電容量を検出することができる。
本実施例の場合も第２実施例と同様に、２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂで検出されるそれぞれの静電容量の差を算出することによって、静電容量の変化量のみを検出することができる。
【００４０】
加速度センサ１２００では、第２対向下領域４６がスリット４９によって第２下領域４２から電気的に分離されている。第２下領域４２に影響している電気的なノイズ等の影響が、コンデンサ容量検出回路１０ａの測定値に及ぶのを抑制することができる。加速度を正確に測定することができる。
また、第２対向下領域４６にコンデンサ容量検出回路１０ａを接続することが困難な場合は、図１０に示す変形例としてもよい。この場合のコンデンサ容量検出回路１０ａは、絶縁層５０の一部５３上に形成されている導電性上層２０の一部２６に接続させている。この構造によると、コンデンサ容量検出回路１０ａは、導電性上層２０の一部２６と絶縁層５０の一部５３と第２対向下領域４６によって形成される結合容量を含んで検出することになるが、その結合容量は適当なセンサ出力処理回路を利用して除去することができる。
この変形例の場合は、絶縁層５０の一部５３と導電性上層２０の一部２６によって第２対向下領域４６を機械的に固定しているので、その機械的な強度を増加させることができる。また、コンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂの接続点１１、１３、１６が全て導電性上層２０上に露出させることができるので、ワイヤボンディングなどの工程が簡単となる。信号線の取り出しが容易な構造といえる。
【００４１】
(第４実施例)
図１１と図１２に、第４実施例の加速度センサ１４００の構造を模式的に示す。
図１２に示すように、加速度センサ１４００は、第１導電性上層２４と第１下領域４４が第１埋め込み電極７２によって接続されている。第１埋め込み電極７２は、第１絶縁層５４と第１導電性上層２４を貫通するコンタクトホールに充填されている。さらに、第２対向下領域４６とそれを固定する導電性上層２０の一部２６が第２埋め込み電極７４によって接続されている。第２埋め込み電極７４は、絶縁層５０の一部５３と導電性上層２０の一部２６を貫通するコンタクトホールに充填されている。
第１埋め込み電極７２によって、測定値は、第２上部分２４と第１絶縁層５４と第１下領域４４に起因する容量の影響を受けない。さらに、第２埋め込み電極７４によって、測定値は、導電性上層２０の一部２６と絶縁層５０の一部５３と第２対向下領域４６に起因する容量の影響を受けない。
【００４２】
図１１と図１２に示すように、第１検出電極６２、第２検出電極６４、発振回路用パッド６５がコンデンサ容量回路の接続箇所である。
本実施例では、２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂを用いる。一つのコンデンサ容量検出回路１０ｂは、第１検出電極６２と発振回路用パッド６５との間に接続する。このコンデンサ容量検出回路１０ｂによって、第１コンデンサＣ１の静電容量を検出することができる。他方のコンデンサ容量検出回路１０ａは、第２検出電極６４と発振回路用パッド６５との間に接続する。このコンデンサ容量検出回路１０ａによって、第２コンデンサＣ４の静電容量を検出することができる。本実施例の場合も、２つのコンデンサ容量検出回路１０ａ、１０ｂで検出されるそれぞれの静電容量の差を算出することによって、静電容量の変化量のみを検出することができる。
発振回路用パッド６５に高周波を印加することによって、発振回路用パッド６５と第１検出電極６２との間の静電容量を検出する。この間の静電容量には、第１埋め込み電極７２によって第１絶縁膜５４に起因する容量が測定値に影響しないので、第１コンデンサＣ１の静電容量のみを検出することができる。
また、発振回路用パッド６５と第２検出電極６４との間の静電容量も同時に検出する。この間の静電容量には、第２埋込み電極７４によって絶縁層５０の一部５３に起因する容量が測定値に影響しないので、第２コンデンサＣ４の静電容量のみを検出することができる。したがって、第１コンデンサと第２コンデンサＣ４の静電容量の変化量を正確に検出することができ、ひいては印加される加速度を正確に測定することができる。
【００４３】
次に、第４実施例の変形例の一例である加速度センサ１５００の要部断面図を図１３に示す。加速度センサ１５００では、図１２の埋め込み電極７２、７４を用いて接続させるのではなく、第１導電性上層２４が屈曲部７６を介して第１下領域４４と直接的に接触している。さらに、導電性上層２０の一部２６が、屈曲部７８を介して第２対向下領域４６と直接的に接触している。
この実施例を具体化するには、例えば、第１導電性上層２４の一部に、四角形のうちの三辺を成すスリットを設けて、残りの一辺から第１導電性上層２４の屈曲部７６を屈曲させることによって、第１導電性上層２４の屈曲部７６と第１下領域４４を接触させる手法を利用することができる。この場合、スリットを設けた後に、その下方の絶縁層５０をエッチング除去すると、スリットに囲まれた第１導電性上層２４の屈曲部７６が、残りの一辺から自然に屈曲されて、第１下領域４４に接触する。製造が極めて簡単化される。また、屈曲した後に、その接触箇所を挟んで所定の電圧を印加すると、接触箇所のシリコンの結晶が溶着されるので接触を強固なものとすることもできる。
【００４４】
また、これまで説明してきたコンデンサ容量検出回路を用いた測定方法とは別の手法を利用して加速度を測定することもできる。その一つの手法を、第４実施例を用いて説明する。
ビーム８４ｂの端部８２ｂをアースして、マスの電位を0Ｖに固定する。各検出電極６２、６４にはスイッチを介して所定の電位が印加可能に構成する。そのスイッチを切替えるとコンデンサとオペアンプと発振器を備えているスイッチトキャパシタ回路に接続されるように構成する。
マスＭに加速度が作用していない初期位置のときに、前記のスイッチをオンすると、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ４には所定の電荷が蓄積される。次に、マスＭに加速度が印加されるよりも先にスイッチをオフにしておくと、マスＭに加速度が印加されて各コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離が変化すれば、各コンデンサＣ１、Ｃ４の静電容量が変化する。その各コンデンサＣ１、Ｃ４の静電容量の大きさに比例した電圧を、スイッチトキャパシタ回路に構成されている差動増幅回路によって算出する。検出された電圧の差から印加された加速度を測定することができる。
また、この他に、いわゆるチャージアンプ式を利用することによって静電容量を検出してもよい。
【００４５】
また、上記の各加速度センサでは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４を構成する空間３２、３４とビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄを構成する空間３６、３８に関して、絶縁層５０を完全に除去することによって形成される例を説明してきた。この例に代えて、空間３２、３４及び／又は空間３６、３８において、絶縁層５０の一部を厚み方向に残存させることもできる。要は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４の電極間の距離が変化するのに必要な空間が、厚み方向に確保されていればよい。また、ビーム８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄが撓むのに必要な空間が、厚み方向に確保されていればよい。
例えば、絶縁層５０の一部を、コンデンサＣ１を構成する対向部分４４ａの表面に残存させることもできる。強い加速度がコンデンサＣ１に加わって、第１張出し部分２２ａが第１対向部分４４ａに接触したとしても、コンデンサＣ１が短絡することが防止される。
なお、薄い絶縁膜をコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４の表面に残存させるのに代えて、絶縁層５０を完全に除去した後に、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４の表面に短絡防止用の薄い絶縁膜を被覆してもよい。絶縁膜には、酸化シリコン、窒化シリコン等を利用することができる。
また、以下の実施例においても、絶縁層が形成されていない場合を説明するが、その例に代えて、絶縁層の一部を残存させることも、また薄い絶縁膜を形成することもできる。
絶縁膜は絶縁層に比して極めて薄く形成することができるので、コンデンサの静電容量に与える影響を極めて小さくすることができる。この場合、絶縁膜の厚みのばらつきに基づくコンデンサの静電容量の変動の影響を抑制することもできる。
なお、コンデンサの静電容量の差を利用する差動式センサの場合、絶縁膜の厚みが大きい場合にも対処することができる。即ち、絶縁膜の厚みが予め設定された値から変動したとしても、差動センサの一方のコンデンサに設けられている絶縁膜の厚みと、他方のコンデンサに設けられているコンデンサの厚みが略一致していれば、コンデンサの静電容量に与える影響を極めて小さくすることができる。差動式センサの場合、絶縁膜の厚みが大きく形成されていても、双方の絶縁膜の厚みが略一致していれば、コンデンサの静電容量に与える影響を極めて小さくすることができる。
【００４６】
（第５実施例）
図１４〜２１を参照して、図１２に示す加速度センサ１４００と略同一構造の加速度センサの製造方法を説明する。
図１４に示すように、単結晶シリコンからなる導電性下層２４０と、その導電性下層２４０上に形成されている絶縁性の絶縁層２５０と、その絶縁層２５０上に形成されている単結晶シリコンからなる導電性上層２２０とで構成されているＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を準備する。
次に、図１５に示すように、例えば蒸着法やスパッタ法を用いて、アルミニウムやチタンなどの導電性の材料を導電性上層２２０上に積層した後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術(ウェットエッチング、ドライエッチングなど)を用いて、第１検出電極２６２と第２検出電極２６４を所定の位置に形成する。
次に、図１６に示すように、導電性下層２４０の裏面側に酸化膜２４１を形成した後に、酸化膜２４１をパターニングし、その開口から異方性エッチング(例えば、水酸化カリウムなど)やＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法などを用いて、導電性下層２４０を貫通するトレンチ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃを形成する。このとき、導電性下層２４０に対する異方性エッチングは、絶縁層２５０との接触面で終了させることができる。したがって、トレンチ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃを精度よく形成することができる。
【００４７】
次に、図１７に示すように、導電性上層２２０上に第１マスク材２２７をパターニングして、その開口部から異方性エッチングによって導電性上層２２０を貫通するトレンチ２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃを形成する。なお、第１マスク材２２７をパターニングする前に、後の工程で絶縁層２５０を除去したい箇所に対応する導電性上層２２０の一部(２２２Ａ、２２４Ａ)にエッチング孔を予め形成しておく。
次に、図１８に示すように、例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、第１マスク材２２７と各トレンチ２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃを覆うまで酸化膜２８２を積層する。酸化膜２８２上に第２マスク材２８４を塗布形成するとともに、トレンチ２２８ｂに対応する箇所の第２マスク材２８４を除去する。
次に、図１９に示すように、トレンチ２２８ｂに充填されている酸化膜２８２を除去した後に、そのトレンチ２２８ｂ内と第２マスク材２８４上に、導電性の多結晶シリコン層２８６を積層する。なお、この多結晶シリコン層２８６は導電性であればよく、例えばアルミニウム等の金属で形成してもよい。
【００４８】
次に、図２０に示すように、リフトオフ法を用いて、トレンチ２２８ｂ内に充填されている多結晶シリコン層２８６を残して、他の多結晶シリコン層２８６と第２マスク材２８４を除去する。トレンチ２２８ｂ内に充填されている多結晶シリコン層２８６は、導電性下層２４０の一部２４４と、導電性上層２２０の一部２２４を接続する埋め込み電極２７２となる。
次に、図２１に示すように、シリコン酸化膜を選択的にエッチング除去するフッ酸を用いて、酸化膜２８２と第１マスク材２２７をエッチング除去する。このエッチング工程では同時に、トレンチ２２８ａ、２２８ｃと、導電性上層２２０の一部に形成されているエッチング孔からフッ酸が侵入するので、その下方の絶縁層２５０の一部も除去される。この結果、第１空間２３２と第２空間２３４が形成される。これにより第１コンデンサと第２コンデンサを形成することができる。
【００４９】
上記の製造方法によると、所定の膜厚の絶縁層２５０をエッチング除去することで、第１空間２３２と第２空間２３４の電極間の距離を調整することができる。コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離を一定の距離で形成し易い。所定の特性を備えた加速度センサを安定的に製造することが可能である。また、コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離は小さいほど静電容量が大きくなる。コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離が小さいほど、同一の変位量に対して静電容量の変化量が大きいセンサを得ることができる。即ち、コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離が小さいほど、測定感度が高いセンサを得ることができる。上記の製造方法によると、膜厚の薄い絶縁層２５０を予め準備しておけば、コンデンサＣ１、Ｃ４の電極間の距離が小さい加速度センサを容易に得ることができる。センサ特性が安定しており、そのセンサ特性が高感度な加速度センサを得ることができる。
なお、第１空間２３２と第２空間２３４を形成するときに、導電性上層２２０及び／又は導電性下層２４０に接する絶縁層２５０の一部を残存させてもよい。コンデンサの短絡防止用の絶縁膜を得ることができる。また、絶縁層２５０を完全に除去した後に、ＣＶＤ法等を利用して、コンデンサＣ１、Ｃ４を構成する導電性上層２２０及び／又は導電性下層２４０の表面に、短絡防止用の薄い絶縁膜を形成してもよい。
絶縁層を除去する条件を制御することによって、薄い絶縁膜の厚みを所望の値にすることができる。ＣＶＤ法を実行する条件を制御することによって、薄い絶縁膜の厚みを所望の値にすることができる。
【００５０】
（第６実施例）
図２２に、第６実施例の加速度センサ１６００の平面図を模式的に示す。加速度センサ１６００は、ｚ軸方向の加速度を検出するタイプである。加速度センサ１６００は、第４実施例に示す加速度センサ１４００に制御領域が付加された一例である。第１〜４実施例の加速度センサは、作用する加速度に応じて変位するマスに追随して変化するコンデンサの電極間の距離から加速度を測定するタイプであった。本実施例の加速度センサ１６００は、作用する加速度に抗してコンデンサの電極間の距離を一定に保つように制御領域の制御電極に電圧が印加される。制御電極に印加する電圧の大きさから加速度を測定する。
【００５１】
図示３１１に対応する領域が、加速度を検出する検出領域であり、第４実施例に示す加速度センサ１４００に相当する構成が設けられている。図示３１２と図示３１３が、第１制御領域３１２と第２制御領域３１３である。なお、検出領域３１１は、第４実施例の加速度センサ１４００とその構成が類似しているのでここではその説明を省略する。
第１制御領域３１２の縦断面図を図２３に示す（図２２中のXXIII−XXIIIに対応している）。第１制御領域３１２の導電性上層には、第１下領域３４４の上方を横断する第３上部分４１１が形成されている。第３上部分４１１は第１下領域３４４を挟んで向かい合う第２下領域３４２の２つの部分を結んで横断している。第３上部分４１１のうちの第３張出し部分４１１ａと第１下領域３４４の間には、絶縁層が形成されていない。第３上部分４１１と第２下領域３４２の間には、第３固定絶縁層３５１、３５２が形成されている。第３上部分４１１は、第３固定絶縁層３５１、３５２を介して第２下領域３４２に固定されている。第３張出し部分４１１ａと第１下領域３４４の間の絶縁層は、エッチング技術によって除去されている。第３上部分４１１は第１制御電極４１０に接続している。
【００５２】
第２制御領域３１３は、その構成が紙面左右対象に形成されている。なお、第２制御領域３１３の縦断面図を図２４に示す（図２２中のXXIV−XXIVに対応している）。
第２制御領域３１３の導電性上層には、第１下領域３４４上に第４絶縁層３５４を介して第４上部分４１６が積層されている。第４上部分４１６は、第１下領域３４４を挟んで向い合う第２下領域３４２の上方に張出している。この張出している部分を張出し部分４１６ａ、４１６ｂという。
張出し部分４１６ａ、４１６ｂに対向している第２制御対向下領域４１５ａ、４１５ｂは、分離溝３４１とスリット３４８によって残部の第２下領域３４２から電気的に絶縁されている。張出し部分４１６ａ、４１６ｂと第２制御対向下領域４１５ａ、４１５ｂの間には絶縁層が形成されていない。第４上部分４１６と第１下領域３４４の間には第４絶縁層３５４が形成されている。
第２制御対向下領域４１５ａ、４１５ｂは、第２制御埋め込み電極４１４ａ、４１４ｂと第２制御引き出し電極４１３ａ、４１３ｂを介して第２制御電極４１２ａ、４１２ｂに接続している。第２制御対向下領域４１５ａ、４１５ｂは、第２制御引き出し電極４１３ａ、４１３ｂと絶縁層によって、第２下領域３４２に対して機械的に固定されている。
【００５３】
次に、加速度センサ１６００の動作を図２３と図２４を用いて説明する。
加速度センサ１６００に紙面上方向の加速度が作用すると、マスに加わる慣性力とビーム３８４ａ、３８４ｂ、３８４ｃ、３８４ｄの復元力が釣合う位置までマスは下方向に変位しようとする。このとき第１制御電極４１０に所定の電圧が印加される。図２３に示すように、第１制御電極４１０に所定の電圧が印加されると、第３張出し部分４１１ａと、第１下領域３４４の間に静電引力が作用して、マスは初期位置に留まる。初期位置に留まっていることは、検出領域３１１のコンデンサの電極間の距離が変化していないことから判別される。この電極間の距離が変化しないように、第１制御電極４１０に印加される電圧が調整される。このとき、第１制御電極４１０に印加した電圧を２乗した大きさと、作用する加速度の大きさが比例することから、第１制御電極４１０に印加した電圧の大きさから加速度を測定することができる。
一方、紙面下方向に加速度が作用すると、マスに加わる慣性力とビーム３８４ａ、３８４ｂ、３８４ｃ、３８４ｄの復元力が釣合う位置までマス上方向に変位しようとする。このとき第２制御電極４１２ａ、４１２ｂに所定の電圧が印加される。図２４に示すように、第２制御電極４１２ａ、４１２ｂに所定の電圧が印加されると、第４張出し部分４１６ａ、４１６ｂと、第２制御対向下領域４１５ａ、４１５ｂとの間に静電引力が作用して、第１下領域３４４は初期位置に留まる。初期位置に留まっていることは、検出領域３１１のコンデンサの電極間の距離が変化していないことから判別される。この電極間の距離が変化しないように、第２制御電極４１２ａ、４１２ｂに印加される電圧が調整される。このとき、第２制御電極４１２ａ、４１２ｂに印加した電圧の大きさから加速度が測定することができる。なお、第２制御領域３１３が左右対称に形成されているのは、マスが回転運動するのを抑制するためである。
この制御領域３１２、３１３を備えた加速度センサ１６００によれば、ビームの撓む範囲がコンデンサの電極間の距離の範囲に制限されることがない。広い範囲の加速度を測定することができる。また、ビームの撓む量が大きくなると誤差を生じ易いが、上記の構成によればそのような事態も生じないので正確な測定を可能にする。
【００５４】
上記の各実施例では、ビームがマスの隅部からマスの重心に対して対称方向に伸びている例を説明してきた。この例に限らず、ビームは、例えば図２５に示す方向に形成してもよい。
図２５(ａ)に、マス２と、そのマス２を支持するビームを模式的に示す。ビームは、マス２の隅部からｙ方向に伸びるｙ方向ビーム３ａと、ｘ方向に伸びるｘ方向ビーム４ａを備えている。各ビーム３ａ、４ａは、固定部(３ｂ、４ｂ)を介して周辺基板に固定されている。この例では、マス２のｘ―ｙ方向への変位が禁止されるので、マス２はｚ方向のみに変位する。
図２５(ｂ)には、ｙビーム３ａのみを備えている例が示されている。この例では、マス２のｙ方向への変位が禁止されるので、マス２はｘ方向とｚ方向の２軸方向に変位することができる。これにより、ｘ方向とｚ方向の２軸方向の加速度を同時に測定可能な変位センサを構成することができる。例えば、本明細書で説明してきた各実施例の構成をｚ方向の変位を検出する構成に適用し、ｘ方向の変位の検出には従来公知の技術を適用することができる。
図２５(ｃ)には、ｙビーム３ａの一部に、ｘ方向に屈曲する折り曲げ部６を備えている例が示されている。この例では、折り曲げ部６によってマス２がｙ方向にも変位可能となる。したがって、３軸方向の加速度を同時に測定可能な変位センサを構成することができる。
上記の多軸方向の加速度を測定する変位センサを構成する場合には、制御領域を設けることによって、マスの変位を禁止する構成にするのが好ましい。一方の軸方向へのマスの変位が、他方の軸方向の変位量に影響してしまう事態を回避できるので、正確な測定を実現できる。
【００５５】
（第７実施例）
図２６に、３軸方向の加速度を測定可能な加速度センサ１７００を示す。図２６に、加速度センサ１７００の平面図を模式的に示す。
加速度センサ１７００の一つの特徴は、対称構造で形成されている点である。なかでもマスが対称構造となっていることから、作用する加速度に対してマスがバランスよく変位することができる。正確な加速度の測定を実現することができる。
【００５６】
まず、図２６を参照してｚ軸方向の加速度を検出する構成を説明する。加速度センサ１７００のｚ軸方向の加速度を検出する構成は、第６実施例の加速度センサ１６００の構成が利用されており、さらにその構成が対称構造となるように工夫されている。
図示６１１に対応する領域が、ｚ軸方向に作用する加速度を検出するｚ軸第１検出領域(第６実施例の検出領域３１１に相当する)である。ｚ軸第１検出領域６１１は、ｚ軸第１検出電極６６２と、第１上部分６２２と、第１張出し部分６２２ａを備えている。第１張出し部分６２２ａは、第１空間６３２を隔てて第１下領域６４４に対向している。さらに、ｚ軸第１検出領域６１１は、第２上部分６２４と、第２張出し部分６２４ａを備えている。第２張出し部分６２４ａは、第２空間６３４を隔てて第２対向下領域６４６に対向している。第２対向下領域６４６は、第２埋込み電極６７４と引き出し電極６２６を介してｚ軸第２検出電極６６４に電気的に接続している。
【００５７】
第１空間６３２の静電容量と第２空間６３４の静電容量は、ｚ軸方向の加速度に追随して正負逆の変化量を示すので、作動で検出することができる。また、第１空間６３２を構成する構造の左右対称性を確保するために、図面左右対称の位置関係にダミー構造が形成されている。第２空間６３４を構成する構造の左右対称性を確保するために、図面左右対称の位置関係にダミー構造が形成されている。このダミー構造には、検出回路などの配線が接続されておらず、加速度の検出には実質的に寄与していない。
さらに、マスの重心を挟んでｚ軸第１検出領域６１１とは対称の位置関係に、ｚ軸第２検出領域６１４が形成されている。ｚ軸第２検出領域６１４の構成は、ｚ軸第１検出領域６１１と同一である。これにより、マスは極めて対称な形状を実現している。
なお、ｚ軸第１検出領域６１１とｚ軸第２検出領域６１４に形成されている検出電極のうち、対称な位置関係にある検出電極は電気的に接続されている。対称な位置関係の検出電極の一方の組は、配線ｚ１を介してｚ軸容量検出回路７０３に入力されている。対称な位置関係の検出電極の他方の組は、配線ｚ２を介してｚ軸容量検出回路７０３に入力されている。これにより、ｚ軸方向の加速度を差動で検出することができる。
図示６１２、６１３にｚ軸制御領域が形成されている。ｚ軸制御領域６１２、６１３は、第６実施例の加速度センサ１６００の制御領域３１２、３１３と同一構成が利用されている。ただし、第１下領域６４４を横断する第３張出し部分８１１ａが、本実施例では紙面上下に２つ形成されている。これにより、対称性が確保されるように工夫されている。
【００５８】
次に、ｘ軸方向とｙ軸方向の加速度を検出する構成を、図２６を用いて説明する。
加速度センサ１７００は、第２上部分６２４の紙面上側に接続された上側ビームユニット１２３と、第２上部分６２４の紙面下側に接続された下側ビームユニット１２５と、第２上部分６２４の紙面左側に接続された２つのｘ軸検出電極部１２１、１２２と、第２上部分６２４の紙面右側に接続された２つのｘ軸制御電極部１９０、１９１を備えている。下側ビームユニット１２５と上側ビームユニット１２３は略同一の構造で形成されている。ｘ軸検出電極部１２１、１２２とｘ軸制御電極部１９０、１９１は略同一の構造で形成されている。対称性が確保されるように工夫されている。
【００５９】
上側ビームユニット１２３は、２つの固定部１３４、１３６と、２つの折曲げ状ビーム１３０、１３２と、２つの直線状ビーム１２６、１２７と、ビーム連結板１２８を有する。上側ビームユニット１２３は、導電性上層を利用して形成されている。上側ビームユニット１２３と導電性下層の間の絶縁層は、固定部１３４、１３６の他は除去されている。これらはエッチング技術を利用して形成することができる。なお、一方の固定部１３６には、発振回路用電極部１３９を介して発振回路から高周波が印加可能となっている。
折曲げ状ビーム１３０、１３２は、ｘ軸方向に平行に伸びる往きビーム部と戻りビーム部で構成され、それぞれの長さと幅がほぼ等しい。往きビームと戻りビームは幅の広い接続部で連結されている。折曲げ状ビーム１３０、１３２は剛性が小さく、ｙ軸方向へ変位可能となっている。また、下側ビームユニット１２５にも同様の折り曲げ状ビームが構成されていることから、上側の折り曲げ状ビーム１３０、１３２と連動してマスがｙ方向に変位可能となっている。
直線状ビーム１２６、１２７はｙ軸方向に伸びる細長状のビームである。ビーム連結板１２８の両端には略正方形状の２つの補助板部１２８ｂ、１２８ｃが形成されている。この補助板部１２８ｂ、１２８ｃを介して折曲げ状ビーム１３０、１３２が接続されている。一方、ビーム連結板１２８の下側の両端にはそれぞれ、直線状ビーム１２６、１２７の一端が接続されている。直線状ビーム１２６、１２７の他端は、第２上部分６２４に接続されている。
このように、ｘ軸方向に伸びる長尺状のビーム連結板１２８の上側と下側の両端に上記構造の折曲げ状ビーム１３０、１３２と直線状ビーム１２６、１２７が接続されている。さらに、直線状ビーム１２６、１２７の他端に第２上部分６２４が接続されている。これにより、マスがしっかりと支持され、ぶれの少ない安定的な変位が可能となる。
上側ビームユニット１２３のビーム連結板１２８に電極連結部１３８が接続されている。電極連結部１３８に２つのｙ軸方向検出電極部１４０、１４１が接続している。同様に、下側ビームユニットには、ｙ軸方向制御電極部１９２、１９３が形成されている。
【００６０】
次に、ｘ軸検出電極部１２１、１２２の拡大平面図を図２７に示す。なお、実際には、それぞれのｘ軸検出電極部１２１、１２２の間にｚ軸制御領域６１２、６１３が形成されているが、この拡大平面図では便宜上省略して図示する。
ｘ軸検出電極部１２１、１２２は、可動電極１２１ａ、１２２ａと、固定電極１２１ｂ、１２２ｂと、固定電極端子１２１ｃ、１２２ｃを備えている。可動電極１２１ａ、１２２ａと固定電極１２１ｂ、１２２ｂは、エッチング技術を利用して導電性上層を加工することによって形成される。可動電極１２１ａ、１２２ａは、第１下領域６４４に接続している。可動電極１２１ａ、１２２ａと第２下領域６４２の間の絶縁層は除去されている。可動電極１２１ａ、１２２ａは、第２下領域６４２の上方に浮いた状態で形成されている。固定電極端子１２１ｃ、１２２ｃは、第２下領域６４２上に絶縁層を介して固定されている。固定電極１２１ｂ、１２２ｂは、固定電極端子１２１ｃ、１２２ｃに固定されている。
【００６１】
ｘ軸検出電極部１２１の可動電極１２１ａは、６本の可動電極指１２１ａ−１〜１２１ａ−６を備えている。可動電極指１２１ａ−１〜１２１ａ−６は、２本を一組としてｘ軸方向に等間隔に並んでいる。各可動電極指１２１ａ−１〜１２１ａ−６は、中央から離反する向きにｙ軸方向に伸びている。固定電極１２１ｂは、６本の固定電極指１２１ｂ−１〜１２１ｂ−６を備えている。固定電極指１２１ｂ−１〜１２１ｂ−６は、２本を一組としてｘ軸方向に等間隔に並んでいる。各固定電極指１２１ｂ−１〜１２１ｂ−６は、外側から近接する向きにｙ軸方向に伸びている。
可動電極１２１ａのｙ軸の正の向きに伸びる可動電極指１２１ａ−１〜１２１ａ−３と、固定電極１２１ｂのｙ軸の負の向きに伸びる固定電極指１２１ｂ−１〜１２１ｂ−３は、交互に噛み合うように配置されている。可動電極１２１ａのｙ軸の負の向きに伸びる可動電極指１２１ａ−４〜１２１ａ−６と、固定電極１２１ｂのｙ軸の正の向きに伸びる固定電極指１２１ｂ−４〜１２１ｂ−６も、交互に噛合うように配置されている。
【００６２】
図２７に示すように、ｘ軸検出電極部１２２も前記したｘ軸検出電極部１２１と類似した構成となっている。ただし、上側の可動電極１２１ａの左からｎ番目の可動電極指１２１ａ−ｎ（以下「左からｎ番目の」を省略する）は、固定電極１２１ｂの固定電極指１２１ｂ−ｎより右側に配置されているが、下側の可動電極１２２ａの可動電極指１２２ａ−ｎは、固定電極１２２ｂの固定電極指１２２ｂ−ｎより左側に配置されている点で異なる。
【００６３】
このため、例えばマスがｘ軸の負の向きに変位すると、上側の可動電極１２１ａの可動電極指１２１ａ−ｎと、上側の固定電極１２１ｂの固定電極指１２１ｂ−ｎの間の距離は減少する。一方、第１下領域６４４に連結している下側の可動電極１２２ａの可動電極指１２２ａ−ｎと、固定電極１２２ｂの固定電極指１２２ｂ−ｎの間の距離は増加する。即ち、２つのｘ軸方向検出電極１２１、１２２は互いに相補的な構造となっている。
【００６４】
また、図２７に示すように、可動電極１２１ａの可動電極指１２１ａ−ｎと固定電極１２１ｂの固定電極指１２１ｂ−ｎの間の距離（図中のＡ）は、可動電極１２１ａの可動電極指１２１ａ−ｎと固定電極１２１ｂの固定電極指１２１ｂ−（ｎ＋１）の間の距離（図中のＢ）に比較して狭い。即ち、可動電極指１２１ａ−ｎとこれに隣り合う２つの固定電極指１２１ｂ−ｎ、１２１ｂ−（ｎ＋１）の間の距離は異なっている。
このため、可動電極１２１ａと固定電極１２１ｂ間の静電容量は、可動電極指１２１ａ−ｎと固定電極指１２１ｂ−ｎ間の静電容量の和のみによって決まるとみなしてよい。
これにより、相補的なｘ軸方向検出電極部１２１、１２２によって、ｘ軸方向の加速度を差動で検出することができる。
【００６５】
また、ｘ軸検出電極部１２１、１２２の可動電極１２１ａ、１２２ａは、ｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能な第１下領域６４４に接続されているため、ｘ軸方向のみならず、ｙ軸方向にも変位し得る。
しかしながら、可動電極１２１ａがｙ軸の正の向きに変位した場合、図２７に示すように、可動電極１２１ａの電極指１２１ａ−１、１２１ａ−２、１２１ａ−３と、固定電極１２１ｂの電極指１２１ｂ−１、１２１ｂ−２、１２１ｂ−３の対向する面積は増加する。一方、可動電極１２１ａの電極指１２１ａ−４、１２１ａ−５、１２１ａ−６と、固定電極１２１ｂの電極指１２１ｂ−４、１２１ｂ−５、１２１ｂ−６の対向する面積は、前記した面積の増加量と同じだけ逆に減少する。
【００６６】
したがって、全体としてみると、可動電極１２１ａと固定電極１２１ｂの電極指の対向する面積は一定である。即ち、原理的には、ｙ軸方向に加速度が印加されてマスがｙ軸方向に変位することの影響は、ｘ軸検出電極１２１の出力に現れないように構成されている。下側のｘ軸検出電極１２２についても同様である。
【００６７】
次に、ｙ軸方向検出電極部１４０、１４１に関して説明する。図２６に示すように、上側ビームユニット１２３のビーム連結板１２８の上側の中央には、Ｔ字状の電極連結部１３８が接続されている。電極連結部１３８は、ｙ軸方向に伸びる長尺状の第１連結棒１３８ａと、第１連結棒１３８ａの一端が接続されたｘ軸方向に伸びる長尺状の第２連結棒１３８ｂによって構成されている。第２連結棒１３８ｂの上側面の両端には、それぞれｙ軸検出電極部１４０、１４１が接続されている。ｙ軸検出電極部１４０、１４１はそれぞれ、前記したｘ軸検出電極部１２１、１２２と同様の構成となっており、ｙ軸方向の加速度を差動で検出することができる。
【００６８】
次に、３軸加速度センサの加速度の検出動作を説明する。実際には、３軸の各方向に加速度成分が現れるような加速度が作用されているのが通常であるので、以下では、このような加速度が印加されていることを前提として説明する。ｘ、ｙ、ｚ軸方向の加速度は、各軸方向の検出電極に接続する検出回路７０１、７０２、７０３によって測定される。ｘ軸検出回路７０１の構成を図２８に示し、ｙ軸検出回路の構成を図２９に示し、ｚ軸検出回路７０３の構成を図３０に示す。なお、ｚ軸方向の検出動作は、第６実施例とほぼ同様であるので、ここでは説明を省略する。また、ｘ軸方向とｙ軸方向の検出動作はほぼ同様であることから、ここでは図２６と図２８を参照して、ｘ軸方向の加速度の検出動作のみを説明する。
ｘ軸方向に加速度が印加されると、上側ビームユニット１２３の固定部１３４、１３６と下側ビームユニット１２５の固定部１５０、１５２によって支持された状態で浮いている第１下領域６４２は、上側ビームユニット１２３の直線状ビーム１２６、１２７と、下側ビームユニット１２５の直線状ビーム１４２、１４３がｘ軸方向にたわむことによってｘ軸方向に変位する。
【００６９】
第１下領域６４２がｘ軸方向に変位すると、ｘ軸検出電極１２１、１２２のそれぞれの可動電極１２１ａ、１２２ａの電極指と固定電極１２１ｂ、１２２ｂの電極指間の距離が変化する。電極指間の距離が変化すると、それぞれのコンデンサ容量検出回路２０６、２０８によって電極指間の距離の変化による静電容量の変化量が検出される。静電容量の変化量が検出されると、その容量変化量がｘ変位算出回路２１０に入力される。
【００７０】
前記したように、ｘ軸検出電極１２１、１２２は、一方の静電容量が増加すると、他方の静電容量が前記増加量と同じだけ減少することから、ｘ変位算出回路２１０は、上側のｘ軸検出電極１２１から検出される正(又は負)の容量変化量と、下側のｘ軸検出電極１２２から検出される負(又は正)の容量変化量の差をとり、測定に悪影響のある寄生の容量や外部ノイズの影響を相殺し、また、容量変化量を２倍の感度で検出する。その後、検出した容量変化量に基づいてマスの変位量を算出する。算出された変位量は、ｘ方向フィードバック回路２１２に入力される。
なお、ｘ変位算出回路２１０には、他の軸のｙ軸検出回路７０２とｚ軸検出回路７０３の検出値も入力されている。必要に応じて、この検出値を用いて他軸の変位によってｘ軸が受ける影響を補償する計算を実施してもよい。
【００７１】
ｘ方向フィードバック回路２１２に入力された第１下領域６４４の変位量に基づいて、いずれかのｘ軸制御電極１９０、１９１に所望の大きさの電圧が印加される。ｘ軸制御電極１９０、１９１の可動電極指と固定電極指は、それぞれ相補的な構成となっている。したがって、一方の制御電極に電圧を印加すると、その可動電極指と固定電極指との間に静電引力が作用する。結果として、静電引力が作用する方向に、第１下領域６４４を引き寄せることができる。他方の制御電極に電圧を印加すると、第１下領域６４４を引き離す方向へ作用させることもできる。
これにより、フィードバック回路２１２に入力された変位量に基づいて、どちらかのｘ軸制御電極１９０、１９１を選択して所望の電圧を印加する。この結果、ｘ軸方向の正負のいずれの方向に対しても、第１下領域６４４の変位を禁止することができる。このとき、ｘ軸制御電極１９０、１９１に印加した電圧の大きさは、ｘ方向加速度表示装置２１８に入力される。この加速度表示装置２１８では、入力された加速度の大きさに対応するｘ軸方向の加速度を計算して表示する。
【００７２】
ｙ軸方向の加速度の検出動作を簡単に説明する。ｙ軸方向に加速度が印加されると、マスは、上側ビームユニット１２３の折曲げ状ビーム１３０、１３２と、下側ビームユニット１２５の折曲げ状ビーム１４６、１４８がｙ軸方向にたわむことによってｙ軸方向に変位する。その後の動作は上記したｘ軸方向の加速度の検出動作と同様である。
【００７３】
本実施例のように、３軸方向のいずれの方向に対してもマスの変位を禁止する制御領域を用いることで、一方の軸方向の変位が他方の軸方向の変位に影響を与えるといった問題を回避することができるので、加速度を正確に測定することができる。
また、本実施例の加速度センサ１７００の構成は対称構造であり、なかでもマスが対称構造なことから、作用する加速度に対してマスはバランスよく変位する。作用する加速度を正確に測定することができる。
さらに、本実施例では、各軸の変位算出回路で算出されたマスの変位量を、別の軸の変位算出回路に入力させている。これにより、僅かに重層する変位量さえも補償させることができるために、極めて正確な加速度の測定を実現している。
【００７４】
（第８実施例）
図３１を用いて、第１〜７実施例で説明してきた加速度センサをセンサ支持構造体５００に固定する場合を説明する。図３１（ａ）は要部断面図を模式的に示し、（ｂ）は支柱５０７近傍の要部拡大斜視図を模式的に示す。
図示５０４が導電性下層であり、図示５０６が絶縁層であり、図示５０８が導電性上層である。これが積層構造である。図３１（ａ）の図示５０３の部分に、上記した第１〜７実施例で説明してきた加速度センサが形成されている。加速度センサが形成されている部分からさらに周辺の導電性下層５０４（前記実施例の第２下領域に相当する）から、支柱５０７が伸びて形成されている。支柱５０７は、例えば導電性下層５０４の一部を裏面からエッチング除去することによって、残部を支柱５０７として形成することができる。支柱５０７の延長上の一端は、導電性上層５０８の隅部５０５と結合している。支柱５０７の他端は絶縁性のダイボンド材５０２を介してセンサ支持構造体５００に結合している。絶縁性のダイボンド材５０２を用いることによって、加速度センサとセンサ支持構造体５００との間を電気的に遮断することができる。これにより、加速度センサ側を任意の電位に保つことができる。外部の電気的な影響を抑制することができる。支柱５０７と導電性下層５０４の間に、支柱５０７を一巡するスリット５０９が形成されている。
【００７５】
図３１（ａ）、（ｂ）に示すように、スリット５０９は、絶縁層５０６と導電性上層５０８の一部を貫通している。導電性上層５０８を貫通するスリット５０９は、導電性上層５０８を一巡していない。スリット５０９を形成することによって、隅部５０５と加速度センサが形成されている領域５０３との間に、ある種のバネ構造が設けられている。
従来から、加速度センサが形成されている積層構造体をセンサ支持構造体５００に固定するときに、所定の位置関係からずれて固定される場合や、あるいはセンサ支持構造体５００自体の膨張などにより、加速度センサが形成されている積層構造体に応力が蓄積されることが問題となっていた。この応力により、加速度センサのビームが伸縮し、その結果、加速度センサの感度や零点出力が安定しないという事態が生じていた。
本実施例のように、隅部５０５と加速度センサが形成されている領域５０３との間に、ある種のバネ構造を設けることによって、加速度センサに加わる応力を緩和することができる。上記のような事態が発生したとしても、所望のセンサ特性を発揮することができるようになる。なお、スリット５０９による加速度センサの支持が極めて柔であると、加速度センサが出力する加速度の大きさと位相に誤差が生じる場合があり得る。このような事態を回避するために、例えば、スリット５０９の形状で規定されるバネ定数と加速度センサが形成されている領域５０３の質量で決まる共振周波数を、加速度センサの共振周波数の２倍以上に設定することが望ましい。センサ特性への影響を小さくすることができる。
なお、上記の実施例の他に、例えば、センサ支持構造体の一部に溝を形成して、その溝上に加速度センサが配置されるようにしてもよい。この場合、溝以外のセンサ支持構造体と加速度センサが形成されている積層構造体を接続する。両者を接続させる方法は、絶縁性のダイボンド材を用いて固着してもよく、あるいは絶縁層を介して結合させてもよい。センサ支持構造体と加速度センサとが電気的に遮断されているので、外部の電気的な影響を抑制することができる。
【００７６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１実施例の加速度センサの概略平面図を示す。
【図２】第１実施例の加速度センサのII-II線断面図を示す。
【図３】第１実施例の加速度センサのIII−III線断面図示す。
【図４】第１実施例の加速度センサの等価回路を示す。
【図５】第２実施例の加速度センサの概略平面図を示す。
【図６】第２実施例の加速度センサのVI-VI線断面図を示す。
【図７】第２実施例の加速度センサの等価回路を示す。
【図８】第３実施例の加速度センサの概略平面図を示す。
【図９】第３実施例の加速度センサのIX−IX線断面図を示す。
【図１０】第３実施例の変形例の一例を示す。
【図１１】第４実施例の概略平面図を示す。
【図１２】第４実施例のXII-XII線断面図を示す。
【図１３】第４実施例の変形例の一例を示す。
【図１４】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（１）。
【図１５】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（２）。
【図１６】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（３）。
【図１７】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（４）。
【図１８】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（５）。
【図１９】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（６）。
【図２０】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（７）。
【図２１】第５実施例の加速度センサの製造工程を示す（８）。
【図２２】第６実施例の加速度センサの概略平面図を示す。
【図２３】第６実施例の加速度センサのXXIII-XXIII線断面図を示す。
【図２４】第６実施例の加速度センサのXXIV-XXIV線断面図を示す。
【図２５】ビーム構造の変形例を示す。
【図２６】第７実施例の加速度センサの概略平面図を示す。
【図２７】第７実施例のｘ軸方向検出電極部の拡大平面図を示す。
【図２８】ｘ軸検出回路の構成を示す。
【図２９】ｙ軸検出回路の構成を示す。
【図３０】ｚ軸検出回路の構成を示す。
【図３１】（ａ）台座に固着された加速度センサが形成されている積層構造の断面図を示す。（ｂ）支柱近傍の拡大要部斜視図を示す。
【図３２】差動検出の説明図を示す。
【符号の説明】
【００７８】
２０：導電性上層
２２：上部分
２２ａ：第１張出し部分
２４：第１導電性上層
２４ａ：第２張出し部分
３２：第１空間
３４：第２空間
４０：導電性下層
４１：分離溝
４２：第２下領域
４４：第１下領域
４６：第２対向下領域
５０：絶縁層
６２：第１検出電極
６４：第２検出電極
７２：第１埋め込み電極
７４：第２埋め込み電極
【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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【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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