(57)【要約】【課題】センサ素子の小型化が可能であり、加速度の検出回路と自己診断駆動回路の切替えが不要な自己診断可能な静電容量検出型加速度センサを提供する。【解決手段】方形ダイアフラム２上の可動電極と、絶縁体からなるベース基板３上の固定電極Ｘ,Ｙ,Ｚと、方形ダイアフラムと一体又は接合された錘体１とで構成され、加速度による前記可動電極と前記固定電極間の静電容量変化を検出する検出回路４を備えた静電容量検出型加速度センサにおいて、ダイアフラム外枠上の少なくとも一対の対角位置の角部で、隣り合う２辺にまたがる領域で錘体に対向する面に絶縁体２−３，２−４を介して自己診断用電極２−１，２−２を設け、前記錘体に自己診断用電極と対向して電極を設け、診断用電極と錘体に設けた電極間に静電気力を与える自己診断駆動回路を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム上の可動電極と、絶縁体からなるベース基板上の前記可動電極と対向した固定電極と、ダイアフラムと一体又は接合された錘体とで構成され、加速度による前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出回路を備えた静電容量検出型加速度センサにおいて、
ダイアフラム外枠上の少なくとも一対の対角位置の領域で錘体に対向する面に絶縁体を介して自己診断用電極を設け、前記錘体に自己診断用電極と対向して電極を設け、自己診断用電極と錘体に設けた電極間に静電気力を与える自己診断駆動回路を備えた、ことを特徴とする自己診断可能な静電容量検出型加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電容量検出型加速度センサに関し、特に故障等の有無を自己診断可能な静電容量検出型加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の自己診断機能を備えた半導体（静電容量検出型）加速センサを図２を参照して説明する。
半導体加速度センサは、半導体基板であるシリコン基板１０にて、略ロ字状の枠体１１に梁部１２を介して片持ち支持状に一体的に連結した重り体１３を形成し、重り体１３の下面を可動電極１４としている。一方、この重り体１３の下方には枠体１１の外形状と略同一の偏平矩形形状のガラス板等の基板が配置され、その基板表面にアルミ蒸着（スパッタ）等にて、上記可動電極１４に対向状態の固定電極が配置される。
固定電極１５は分割された２枚の電極（第１、第２固定電極）１５ａ,１５ｂから構成されている。そして、可動電極１４は、静電容量の検出手段である容量検出回路１６に接続され、また、この容量検出回路１６には、上記第２固定電極１５ｂも直接的に接続されている。尚、これら各電極との接続は、シリコン基板１０の所定位置に形成された拡散層その他の構造からなる電極リード（配線）等の公知の機構を介して行われる。
そして、第１固定電極１５ａは、切替手段であるスイッチ１７に接続され、このスイッチ１７のａ接点は上記容量検出回路１６に接続され、ｂ接点は可変バッテリ装置１８に接続されている。
【０００３】
次に、上記構成の加速度センサを用いた自己診断方法（使用方法）について説明する。
まず、（ａ）に示すようにスイッチ１７をａ接点側に閉じる。すると、両固定電極１５ａ，１５ｂは、このスイッチ１７により並列接続され、従来の一枚の固定電極と実質的に同等の構造となる。よって、加速度により重り体１３が上下動し、可動電極１４と第１、第２固定電極１５ａ，１５ｂ間で生じている静電容量の変化を容量検出回路１６で検出することにより通常の加速度の検出が行える。
一方、自己診断をする場合には（ｂ）に示すように、スイッチ１７を切り換えてｂ接点側に閉じる。すると、第１固定電極１５ａは、可変バッテリ装置１８に接続され、第１固定電極１５ａに所定の電圧が印加される。これにより、可動電極１４に対して静電引力を発生させて重り体１３を下降移動させて所定量変位させる。この移動に伴い可動電極１４と第２固定電極１５ｂとの距離が短くなり、両電極間に生じる静電容量が増加する。そして、可動電極１４並びに第２固定電極１５ｂは、容量検出回路１６に接続されたままであるので、上記静電容量の変化（増加）を容量検出回路１６にて検出することにより、その変化が所定の範囲内にあるか否かを判別して、正常に動作するか否かを確認することができ、セルフチェックを行うことができる。
【特許文献１】特開平６−１３８１４３号公報（図１、段落（００１３）〜（００１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、直交３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）方向の加速度成分を検出するように構成された加速度センサが知られている（例えば、特開平１０−１０４２６４号公報  図３参照）。
この加速度センサは、ダイアフラムと、ダイアフラムに支持された錘体と、ダイアフラムと間隔を設け対向して配置され、中央にＺ軸電極、この電極の周囲に直交するように２つのＸ軸電極、２つのＹ軸電極を配けられたベース基板（電極基板）とから構成される。加速度センサは、加速度が印加された際のダイアフラムから構成される共通電極とＺ軸電極、Ｘ軸電極、Ｙ軸電極間の静電容量の変化を検出するものである。
【０００５】
従来の自己診断機構を半導体エッチングのエッチングによる方形ダイアフラムと錘体からなるＸ，Ｙ，Ｚの３軸を対向する電極の容量差により検出する加速度センサに適用すると、図３に示す構成となり検出用電極（Ｘ1，Ｘ2），（Ｙ1，Ｙ2），Ｚと同数の自己診断用電極（ＳＴＸ1，ＳＴＸ2），（ＳＴＹ1，ＳＴＹ2）が必要で、計９個所又は１０個所（自己診断用電極ＳＴＺを設けた場合）の電極が必要となる。また、電極間の絶縁不良の回避に有効な間隙を設ける必要があり、この結果、センサチップ全体の面積に占める電極面積が制限され、小型化が困難となる。また、検出用電極と自己診断用電極を通常は接続、自己診断時は分割するように切替えて使用する方法もあるが、電極を検出回路と自己診断の駆動回路とに切り替える機能が必要なため回路が複雑になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、ダイアフラム上の可動電極と、絶縁体からなるベース上の前記可動電極と対向した固定電極と、ダイアフラムと一体又は接合された錘体とで構成され、加速度による前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出回路を備えた静電容量検出型加速度センサにおいて、
ダイアフラム外枠上の少なくとも一対の対角位置の領域で錘体に対向する面に絶縁体を介して自己診断用電極を設け、前記錘体に自己診断用電極と対向して電極を設け、自己診断用電極と錘体に設けた電極間に静電気力を与える自己診断駆動回路を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ダイアフラム外枠に自己診断用電極を設け、錘体に設けた電極間に静電気力を与えることにより、ダイアフラム（可動電極）と検出用電極間の静電容量を変化させ、この静電容量を検出することにより自己診断が可能となることから、（１）検出用電極側から自己診断用電極の領域が削減され、センサ素子のサイズの小型化が可能となり、シリコンウェハから製作する場合、シリコンウェハ１枚から製作できる生産数を増やすことができ、増産が可能となり生産効率が向上する、（２）自己診断専用の電極を設けるため、検出回路と自己診断駆動回路との切り替えが不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の自己診断可能な静電容量検出型加速度センサの構成例を図１に示す。
自己診断可能な静電容量検出型加速度センサは、シリコン等半導体のエッチング形成等による方形ダイアフラム２上の可動電極と、ガラス等絶縁体で作られたベース基板３上の固定電極（検出用電極）（Ｘ1，Ｘ2），（Ｙ1，Ｙ2），Ｚ、及びダイアフラム２上の錘体接合部２−５に載置された錘体１とで静電容量検出型加速度センサ素子が構成される。方形ダイアフラム２は導電体で作成するか、あるいは外表面に導電膜を形成してダイアフラム自身を共通電極（接地電極）としている。静電容量検出型加速度センサ素子に加速度が加わることで固定電極（Ｘ1，Ｘ2），（Ｙ1，Ｙ2），Ｚと共通電極間の静電容量が変化し、この変化を電気信号に変換してセンサ出力を得るものである。
【０００９】
検出用電極は、固定電極（方形ダイアフラム）面を２本の対角線に沿って分割し、辺方向をＸ軸、Ｙ軸と定義してそれぞれ他の軸に対称な、２対の台形の検出用電極（Ｘ1，Ｘ2）と（Ｙ1，Ｙ2）を設ける。また、電極面の法線（垂直）方向をＺ軸と定義して固定電極の中心部分に四角形の電極Ｚを設ける。電極対（Ｘ1，Ｘ2）と（Ｙ1，Ｙ2）はそれぞれの電極対の静電容量差を入力加速度の信号として扱うため、電極対（Ｘ1，Ｘ2）は図中（１）の方向、電極対（Ｙ1，Ｙ2）は図中（２）の方向に加速度に対して検出可能となる。図１（ｃ）に示すように、検出回路４−１は電極対（Ｘ1，Ｘ2）と共通電極、検出回路４−２は電極対（Ｙ1，Ｙ2）と共通電極の静電容量差を検出して加速度信号を出力する。また、検出用電極Ｚ単体の容量変化は基準容量ＣＺとの静電容量差を入力加速度の信号として扱うため、図中（３）の方向の加速度に対して検出可能となる。
【００１０】
次に自己診断機能について説明する。
自己診断用電極２−１，２−２は、ダイアフラム２の枠上に酸化膜等による絶縁層２−３を設けた上にダイアフラムの対角線上に対向するように配置されている。錘体１の大きさはダイアフラム２枠の外側まであり、加速度応答によるダイアフラムの変動によって錘体が枠にぶつからないように段差（間隙）が設けられる。また、錘体は導電体で作成する、または表面を導体としてダイアフラムと電気的に接続、すなわち接地されている。
自己診断用電極２−１，２−２は自己診断駆動回路５に接続され、同相または反転位相の交流電圧がそれぞれの電極に印加される。
自己診断を行う時、自己診断駆動回路５から自己診断用電極２−１，２−２に反転位相の交流電圧（正弦波または矩形波）を印加すると、錘体１は静電気力によって図中（４）の方向に運動（揺動）する。この運動によって電極対（Ｘ1，Ｘ2）と電極対（Ｙ1，Ｙ2）はそれぞれの電極対で入力加速度と同様な静電容量の変化が得られるため、Ｘ軸、Ｙ軸の自己診断が可能となる。
また、自己診断駆動回路５から自己診断用電極２−１，２−２に同相の交流電圧（正弦波または矩形波）を印加すると、錘体１は静電気力によって図中（３）の方向に運動することにより電極Ｚは入力加速度による静電容量の変化が得られるため、Ｚ軸の自己診断が可能となる。
【００１１】
なお、上記実施例において、図１（ｃ）に示すようにセンサ素子の錘体を上側として設置する代わりにセンサ素子の錘体を下側、すなわち上下を逆に設置しても同様に機能し、直交３軸方向の加速度成分を検出する代わりに直交２軸成分の加速度を検出する、また、ダイアフラムの形状を円形状とすることもできる。
以上説明したように２つの自己診断用電極を設けることによりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の自己診断が可能となることからセンサ素子の小型化を図ることができる。すなわちセンサ素子の製造工程でセンサ素子のシリコンウェハ１枚当たりの生産数が多くとれることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の（ａ）ダイアフラム（可動電極、自己診断用電極）、（ｂ）ベース基板（検出用電極）、（ｃ）自己診断可能な静電容量検出型加速度センサの構成例を示す図。
【図２】従来の自己診断機能を備えた半導体加速度センサの（ａ）加速度検出時、（ｂ）自己診断時の動作を説明する図。
【図３】本発明が解決しようとする課題を説明する図。
【符号の説明】
【００１３】
１・・・錘体
２・・・ダイアフラム、２−１，２−２・・・自己診断用電極、２−３，２−４・・・絶縁層、２−５・・・錘体接合部
３・・・ベース基板
４・・・検出回路
５・・・自己診断駆動回路
Ｘ，Ｙ，Ｚ・・・検出用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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