(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）角速度を検出する角速度センサと、
（ｂ）加速度を検出する加速度センサとを備え、
前記角速度センサは、
（ａ１）第１半導体基板に形成された第１周辺部と、
（ａ２）前記第１周辺部の内部に形成された第１空洞部と、
（ａ３）前記第１空洞部の内部に形成された第１固定部と、
（ａ４）前記第１空洞部の内部に形成された振動体と、
（ａ５）前記第１固定部と前記振動体を接続する弾性変形可能な第１弾性変形部と、
（ａ６）前記振動体の内部に形成されたコリオリ素子と、
（ａ７）前記振動体と前記コリオリ素子を接続する弾性変形可能な第２弾性変形部とを有し、
前記加速度センサは、
（ｂ１）第２半導体基板に形成された第２周辺部と、
（ｂ２）前記第２周辺部の内部に形成された第２空洞部と、
（ｂ３）前記第２空洞部の内部に形成された第２固定部と、
（ｂ４）前記第２空洞部の内部に形成された可動体と、
（ｂ５）前記第２固定部と前記可動体を接続する弾性変形可能な第３弾性変形部と、
（ｂ６）前記加速度センサに印加される加速度を検出する加速度検出部と、を有し、
前記第１空洞部と前記第２空洞部は、互いに連通して同じ圧力に設定されている慣性センサであって、
前記加速度センサには、前記加速度検出部および前記第３弾性変形部とは別の構成要素であって、加速度に対する移動を抑制するダンピング機能に特化した第１移動抑制部が設けられており、
前記第１移動抑制部は、
（ｃ１）前記可動体に形成された複数の第１突起部と、
（ｃ２）前記第２周辺部に形成された複数の第２突起部とを有し、
前記複数の第１突起部と前記複数の第２突起部が、交互に等間隔で離間して配置されており、
前記加速度検出部は、
（ｄ１）前記第２固定部に形成された複数の固定電極と、
（ｄ２）前記可動体に形成された複数の検出電極と、を有し、
前記複数の固定電極と前記複数の検出電極は、交互に離間して配置され、
第１検出電極の一方側に形成されている第１固定電極と前記第１検出電極との間の距離と、前記第１検出電極の他方側に形成されている第２固定電極と前記第１検出電極との間の距離が異なることを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
請求項１記載の慣性センサであって、
さらに、前記角速度センサの前記コリオリ素子には、コリオリ力に対する移動を抑制する第２移動抑制部が設けられていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１空洞部と前記第２空洞部は、封止されており、
前記第１空洞部と前記第２空洞部は、大気圧よりも低い圧力に設定されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１移動抑制部は、前記第１移動抑制部を設けない場合に比べて、加速度に対する応答を遅延させる機能を有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項５】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の第１突起部および前記複数の第２突起部は、前記可動体が加速度を受けて移動する第１移動方向と交差する方向に突出するように構成されており、
前記複数の第１突起部と前記複数の第２突起部が前記第１移動方向に並んで配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項２記載の慣性センサであって、
前記第２移動抑制部は、前記第２移動抑制部を設けない場合に比べて、コリオリ力に対する応答を遅延させる機能を有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項２記載の慣性センサであって、
前記第２移動抑制部は、
（ｅ１）前記コリオリ素子に形成された複数の第３突起部と、
（ｅ２）第３固定部に形成された複数の第４突起部とを有し、
前記複数の第３突起部と前記複数の第４突起部が交互に離間して配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項７記載の慣性センサであって、
前記複数の第３突起部と前記複数の第４突起部とは、交互に等間隔で離間して配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
請求項７記載の慣性センサであって、
前記複数の第３突起部と前記複数の第４突起部は、前記コリオリ素子がコリオリ力を受けて移動する第２移動方向と交差する方向に突出するように構成されており、
前記複数の第３突起部と前記複数の第４突起部が前記第２移動方向に並んで配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とは同一の半導体基板であり、この同一の半導体基板上に前記角速度センサと前記加速度センサが形成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載の慣性センサであって、
前記角速度センサにある前記第１空洞部と、前記加速度センサにある前記第２空洞部とは、１つのキャップによって封止されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の慣性センサであって、
半導体基板に形成された前記角速度センサおよび前記加速度センサを封止するキャップのサイズが、前記半導体基板のサイズ以下であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１３】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記加速度センサに加速度が加わることにより前記可動体が移動し、前記可動体が移動することにより前記固定電極と前記検出電極の間の距離が変化し、前記固定電極と前記検出電極の間の距離が変化することにより、前記固定電極と前記検出電極から構成される容量素子の容量が変化することを利用して前記加速度センサの加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１４】
請求項２記載の慣性センサであって、
前記角速度センサは、さらに、
（ａ８）前記角速度センサに印加される角速度に起因するコリオリ力を検出する角速度検出部と、を有し、
前記第２移動抑制部は、前記角速度検出部および前記第２弾性変形部とは別の構成要素であって、コリオリ力に対する移動を抑制するダンピング機能に特化したものであることを特徴とする慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサに関し、特に、角速度センサと加速度センサを備える慣性センサに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００２−００５９５０号公報（特許文献１）には、角速度センサと加速度センサの両方で検出感度の向上を図る技術が記載されている。具体的には、角速度センサの平面振動体と、加速度センサの可動体とを同一の基板上に互いに間隔を介して浮いた状態に配置する。そして、平面振動体と可動体の上側に蓋部材を形成する。基板と蓋部材からなる空間部を区分壁部によって角速度センサ用空間部と加速度センサ用空間部に区分する。角速度センサ用空間部は真空状態で気密封止された状態となっており、加速度センサ用空間部は大気圧で気密封止された状態となっている。このように構成することにより、平面振動体は高周波および大きな振幅で振動することができるので、角速度センサの角速度検出感度を高めることができる。一方、可動体は、平面振動体の振動が伝搬されても空気のダンピングによって高周波および大きな振幅で振動しないので、加速度センサの加速度検出感度を高めることができるとしている。
【特許文献１】特開２００２−００５９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
可動構造を有するセンサには様々なタイプのものがあり，例えば，広く知られている慣性センサとして加速度センサや角速度センサ（振動ジャイロ）がある。この中でも、検出方式に静電容量変化を採用している慣性センサは，圧電体を利用した検出方式や、歪み抵抗ブリッジを利用した検出方式に比べて、室温を含む広い温度範囲において特性の変動が少ない利点がある。よって、静電容量検出方式の慣性センサは、センサの使用温度が環境に応じて広範囲にわたる車載用途に用いられることが多い。
【０００４】
車載用途の中で特に車両の走行制御にセンサを使用する場合、加速度センサは車両の傾きや左右の運動状態を検知することに用いられ、同時に、角速度センサは車体の進行方向の回転速度（ヨーレート）を検知することに用いられる。このように２種類以上のセンサを利用する場合を考慮し、角速度センサと加速度センサを一体化したパッケージで提供する慣性センサが提案されている。この角速度センサと加速度センサとを同一圧力で気密封止することが考えられる。
【０００５】
角速度センサは振動体と振動体内部に設けられるコリオリ素子とを有し、この振動体がある一定の周波数で駆動振動しているときに角速度が加わるとコリオリ力が発生し、振動体の内部に設けられているコリオリ素子が振動体の振動方向と直交する方向に変位する。このコリオリ力によるコリオリ素子の変位量を検知することで、角速度を検出することができる。このとき、振動体の駆動振動の速度が速いほどコリオリ力が大きくなるので、角速度センサの検出感度を向上させるためには、角速度センサの振動体を高周波で、かつ、大きな振幅で振動させる必要がある。
【０００６】
しかし、マイクロマシニング技術で形成した微細な振動体は、空気のダンピングの影響を大きく受ける。ダンピングは振動体の速度に比例して発生する力なので、高い圧力下では、速度の速い状態、つまり、高周波および大きな振幅をもった状態で振動体を振動させようとすると、空気によるダンピングの影響が非常に大きくなり、振動体を高周波および大きな振幅をもった状態で振動させることができなくなる。この結果、角速度センサ検出感度を著しく悪化させることになる。
【０００７】
そこで、角速度センサと加速度センサとを低い圧力で気密封止することが考えられる。このように角速度センサを低い圧力の状態で気密封止することにより、振動体に与えるダンピングの影響を低減することができる。このため、角速度センサの振動体を高周波および大きな振幅で振動させることが可能となり、角速度の検出感度を向上させることができる。
【０００８】
しかし、角速度センサだけでなく加速度センサも低い圧力の状態に配置してしまうと、加速度センサの可動体が非常に振動しやすい状態となってしまう。加速度センサに加速度が印加されていない場合、加速度センサの可動体は静止状態であることが望まれる。ところが、加速度センサの可動体を低い圧力の状態に配置すると、敏感に変位してしまうので、たとえ、加速度が印加されていない状態であっても、可動体が変位することになる。つまり、加速度センサの可動体は、あまり敏感に反応することも加速度センサの検出感度を向上する観点からは望ましくないのである。
【０００９】
そこで、角速度センサと加速度センサを有する慣性センサとして、特許文献１に示すような構成をとることが考えられる。すなわち、角速度センサ用の振動体と加速度センサ用の可動体を同一基板上に形成する一方、角速度センサ用の振動体と加速度センサ用の可動体とをそれぞれ異なる気圧の空間部に配置する。具体的には、角速度センサ用の振動体を低い圧力の状態に気密封止された空間部に配置し、加速度センサ用の可動体を高い圧力の状態に気密封止された空間部に配置する。このように構成することにより、角速度センサ用の振動体は、空気によるダンピングの影響を受けずに、高周波および大きな振幅で振動することができるので、角速度センサの検出感度を向上することができる。一方、加速度センサ用の可動体は、高い圧力下に置かれるため、空気によるダンピングの影響を受けるので、必要以上の敏感な変位を抑制することができ、この結果、加速度センサの検出感度を向上することができる。したがって、特許文献１に記載された慣性センサによれば、角速度の検出感度と加速度の検出感度をともに向上することができる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載された慣性センサでは、角速度センサの検出感度と加速度センサの検出感度を向上するために、角速度センサの配置空間と、加速度センサの配置空間内の封止圧力を異なったものとしている。そのため、基板（半導体チップ）内で異なる２仕様の圧力管理をするために、気密封止技術と不要気体分子を排除するゲッター材料を製造プロセスに導入する必要があり、製造コストが高くなる弊害がある。また、基板内で異なる２仕様の圧力管理をするために経時変化に対して信頼性を確保することが困難である問題点がある。
【００１１】
本発明の目的は、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力とを同一にする場合であっても、角速度センサの検出感度の向上と加速度センサの検出感度の向上を図ることができる技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１４】
代表的な実施の形態は、（ａ）角速度を検出する角速度センサと、（ｂ）加速度を検出する加速度センサとを備える慣性センサに関するものである。前記角速度センサは、（ａ１）第１半導体基板に形成された第１周辺部と、（ａ２）前記第１周辺部の内部に形成された第１空洞部と、（ａ３）前記第１空洞部の内部に形成された第１固定部と、（ａ４）前記第１空洞部の内部に形成された振動体とを有する。そして、（ａ５）前記第１固定部と前記振動体を接続する弾性変形可能な第１弾性変形部と、（ａ６）前記振動体の内部に形成されたコリオリ素子と、（ａ７）前記振動体と前記コリオリ素子を接続する弾性変形可能な第２弾性変形部とを有する。
【００１５】
一方、前記加速度センサは、（ｂ１）第２半導体基板に形成された第２周辺部と、（ｂ２）前記第２周辺部の内部に形成された第２空洞部と、（ｂ３）前記第２空洞部の内部に形成された第２固定部と、（ｂ４）前記第２空洞部の内部に形成された可動体と、（ｂ５）前記第２固定部と前記可動体を接続する弾性変形可能な第３弾性変形部とを有する。
【００１６】
このとき、前記第１空洞部と前記第２空洞部は、同じ圧力に設定されており、前記加速度センサの前記可動体には、加速度に対する移動を抑制する第１移動抑制部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
上述した代表的な実施の形態によれば、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力とを同一にする場合であっても、加速度センサの可動体に加速度に対する移動を抑制する第１移動抑制部を設けているので、角速度センサの検出感度の向上と加速度センサの検出感度の向上を図ることができる。つまり、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力を同一にし、かつ、角速度センサの検出感度を向上させるように同一にする封止圧力を決定しても、加速度センサの検出感度の悪化を抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１９】
代表的な実施の形態によれば、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力とを同一にする場合であっても、角速度センサの検出感度の向上と加速度センサの検出感度の向上を図ることができる。
【００２０】
また、代表的な実施の形態によれば、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力を大気圧に対して減圧とする場合を記載しているが、封止圧力は大気圧であっても、大気圧に対して高圧の場合であっても本発明は適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２２】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２３】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２４】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２５】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態１における慣性センサについて図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１における慣性センサを示す平面図である。図１において、慣性センサ１は、角速度センサ２と加速度センサ３とを有している。図１では、角速度センサ２と加速度センサ３とは別々の半導体チップに形成されている。
【００２７】
まず、角速度センサ２の構成について説明する。図１に示すように、角速度センサ２は、矩形形状の周辺部（第１周辺部）４の内部に空洞部（第１空洞部）５が形成されている。この空洞部５の内部に固定部４ａ、固定部（第１固定部）４ｂ、固定部４ｃおよび振動体６が形成されている。振動体６は弾性変形部（第１弾性変形部）（支持梁）７により固定部４ｂと接続されている。さらに、この振動体６と固定部４ａとの間には、駆動部８が設けられており、この駆動部８により、振動体６を振動させることができるようになっている。すなわち、駆動部８によって振動体６は、ｘ方向に振動するように構成されている。駆動部８は、固定部４ａに形成されている固定電極と振動体６に形成されている可動電極からなる容量素子で構成されており、この容量素子における静電引力によって振動体６を振動させることができるようになっている。
【００２８】
振動体６の内部には、コリオリ素子９が形成されており、このコリオリ素子９は、弾性変形部（第２弾性変形部）１０を介して振動体６と接続されている。したがって、コリオリ素子９は、振動体６が振動すると、振動体６と一緒にｘ方向に振動する。そして、コリオリ素子９は、角速度センサ２がｚ軸を中心に回転して角速度が生じると、コリオリ力によってｘ方向と直交するｙ方向に変位できるように構成されている。
【００２９】
コリオリ素子９には、コリオリ力によるコリオリ素子９のｙ方向への変位を検出する検出部１１が形成されている。この検出部１１は、コリオリ素子９に形成されている検出電極１１ａと固定部４ｃに接続されている固定電極１１ｂにより構成されている。
【００３０】
次に、加速度センサ３の簡単な構成について説明する。図１に示すように、加速度センサ３は、矩形形状の周辺部（第２周辺部）１２の内部に空洞部（第２空洞部）１３が形成されている。この空洞部１３の内部に固定部（第２固定部）１２ａ、固定部１２ｂおよび可動体１４が形成されている。可動体１４は、弾性変形部（第３弾性変形部）１５を介して固定部１２ａと接続されており、可動体１４は、ｘ方向に移動できるように構成されている。以上が加速度センサ３の簡単な構成であり、加速度センサ３の詳細な構成と本実施の形態１における特徴的構成については、後述する。
【００３１】
上述した角速度センサ２と加速度センサ３は、同一のパッケージ１８に収納されている。例えば、図１に示すように、パッケージ１８の内部に角速度センサ２と加速度センサ３が配置されており、角速度センサ２と加速度センサ３がｘ方向に並ぶように配置されている。角速度センサ２の固定部４ａ、固定部４ｂ、固定部４ｃ、振動体６、弾性変形部７、駆動部８、コリオリ素子９、弾性変形部１０および検出部１１は、それぞれ導体（半導体）から構成されており、固定部４ａ、固定部４ｂおよび固定部４ｃは、それぞれ、パッケージ１８の内部に形成されている端子１６とワイヤ１７によって電気的に接続されている。固定部４ａは、駆動部８の一部を構成する固定電極と電気的に接続されている。そして、固定部４ｂは、弾性変形部７を介した振動体６と、弾性変形部１０を介して振動体６に接続されているコリオリ素子９と、コリオリ素子９に形成されている検出部１１の検出電極１１ａと電気的に接続されている。さらに、固定部４ｃは、検出部１１の一部を構成する固定電極１１ｂと電気的に接続されている。パッケージ１８の内部に形成されている端子１６は、パッケージ１８の外部に引き出されているリード１９と電気的に接続されている。
【００３２】
同様に、加速度センサ３の固定部１２ａ、固定部１２ｂ、可動体１４および弾性変形部１５は、それぞれ導体（半導体）から構成されており、固定部１２ａおよび固定部１２ｂは、それぞれ、パッケージ１８の内部に形成されている端子１６とワイヤ１７によって電気的に接続されている。固定部１２ａは、弾性変形部１５を介した可動体１４と電気的に接続されている。そして、固定部１２ｂは、後述する固定電極と電気的に接続されている。さらに、パッケージ１８の内部に形成されている端子１６は、パッケージ１８の外部に引き出されているリード１９と電気的に接続されている。
【００３３】
本実施の形態１における角速度センサ２は上記のように構成されており、以下にその動作について説明する。まず、図１において、駆動部８により、振動体６をｘ方向に振動させる。このとき、振動体６の内部に弾性変形部１０を介して接続されているコリオリ素子９もｘ方向に振動する。この状態で、ｚ軸周りに所定の角速度を有する回転が発生したとする。すると、この回転によるコリオリ力が発生する。コリオリ力によって、ｘ方向に振動している振動体６およびコリオリ素子９にはｘ方向と直交するｙ方向に変位する力が加わる。このとき、ｘ方向に振動している振動体６は、弾性変形部７によって固定部４ｂに接続されているが、この弾性変形部７は、ｘ方向への弾性変形は可能である一方、ｙ方向への弾性変形はできないようになっている。このため、ｘ方向に振動している振動体６にコリオリ力が加わってもｙ方向に変化することはない。これに対し、振動体６の内部に形成されているコリオリ素子９は、弾性変形部１０を介して振動体６に接続されている。この弾性変形部１０は、ｙ方向への弾性変形ができるように構成されているため、コリオリ素子９は、コリオリ力によってｙ方向に変位する。このコリオリ素子９によるｙ方向の変位を検出部１１で検出する。すなわち、コリオリ力によってコリオリ素子９は、ｙ方向に変位するが、この変位によって、コリオリ素子９と一体的に形成されている検出電極１１ａもコリオリ素子９と同様に変位する。したがって、コリオリ素子９と一体的に形成されている検出電極１１ａと、コリオリ素子９とは分離して形成されている検出部１１の固定電極１１ｂの間の距離が変化する。検出電極１１ａと固定電極１１ｂとの間の距離が変化すると、検出電極１１ａと固定電極１１ｂにより形成される容量素子の容量値が変化する。この容量素子の容量変化を電気的に検出することで、間接的に、コリオリ力が求まり、コリオリ力を求めることができると、角速度を算出することができる。このようにして、角速度センサ２により角速度を検出することができる。
【００３４】
ここで、角速度センサ２による角速度の検出感度を向上するためには、振動体６およびコリオリ素子９のｘ方向への振動を高周波および大きな振幅で行なう必要がある。すなわち、振動体６およびコリオリ素子９のｘ方向への振動が高周波で、かつ、大きな振幅であると、コリオリ力によるコリオリ素子９のｙ方向への変位が大きくなる。つまり、コリオリ素子９が同一のコリオリ力を受ける場合、コリオリ素子９のｘ方向への振動が高周波で大きな振幅であるほど、コリオリ素子９のｙ方向の変位が大きくなる、コリオリ素子９のｙ方向の変位が大きくなるということは、検出部１１を構成する検出電極１１ａと固定電極１１ｂとの間の距離が大きく変化することを意味しており、この場合、容量変化も大きくなる。したがって、振動体６およびコリオリ素子９のｘ方向への振動が高周波で、かつ、大きな振幅にすると、角速度センサ２による角速度の検出感度が向上するのである。
【００３５】
振動体６およびコリオリ素子９のｘ方向への振動を高周波で、かつ、大きな振幅で行なうためには、空気のダンピングの影響（空気粘性抵抗効果）を低減する必要がある。つまり、空気によるダンピングは振動体の速度に比例して発生する力なので、大気中では、速度の速い状態、つまり、高周波および大きな振幅をもった状態で振動体を振動させようとすると、空気によるダンピングの影響が非常に大きくなり、振動体を高周波および大きな振幅をもった状態で振動させても、ダンピングの影響によりすぐに振動が減衰してしまう。この結果、角速度センサ２の検出感度を向上することができなくなる。
【００３６】
そこで、角速度センサ２を大気圧より減圧した状態で気密封止することが考えられる。このように角速度センサ２を減圧状態で気密封止することにより、振動体６に与えるダンピングの影響を低減することができる。このため、角速度センサ２の振動体６を高周波および大きな振幅で振動させることが可能となり、角速度の検出感度を向上させることができる。角速度センサ２を大気圧より減圧した状態で気密封止している状態を図２に示す。
【００３７】
図２は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面を示す模式的な断面図である。図２に示すように、パッケージ本体１８ａの内部には、角速度センサ２と加速度センサ３が配置されている。そして、パッケージ本体１８ａは、接着部１８ｃにより蓋１８ｂが設けられており、内部空間２１を気密封止できるように構成されている。この内部空間２１は、大気圧よりも低い減圧状態となっている。したがって、角速度センサ２と加速度センサ３は、大気圧よりも低く減圧された内部空間２１に配置されていることになる。このことから、角速度センサ２を減圧状態で気密封止することができ、振動体６に与えるダンピングの影響を低減することができ、角速度の検出感度を向上させることができる。
【００３８】
図２に示すように、角速度センサ２は、半導体基板２ａ上に形成されており、加速度センサ３は、パッケージ本体１８ａ上に接着材２０を介して配置されている半導体基板３ａ上に形成されている。この角速度センサ２および加速度センサ３がパッケージの内部空間２１に気密封止されている状態であっても、角速度センサ２および加速度センサ３の入出力信号は、角速度センサ２や加速度センサ３とパッケージ内部の端子１６とをワイヤ１７などで電気的に接続することにより、端子１６と接続される。そして、端子１６は、パッケージ本体１８ａの外部に設けられているリード１９と接続されているので、結局、角速度センサ２や加速度センサ３の入出力信号は、ワイヤ１７および端子１６を介してパッケージ本体１８ａの外部に形成されているリード１９から取り出すことができる。
【００３９】
以上のように、角速度センサ２を大気圧より減圧した状態で気密封止すると、角速度センサ２の検出感度を向上することができる。ところが、図２に示すように、角速度センサ２だけでなく加速度センサ３も減圧状態に配置してしまうと、加速度センサ３の可動体１４が非常に振動しやすい状態となってしまう。加速度センサ３に加速度が印加されていない場合、加速度センサ３の可動体１４は静止状態であることが望まれる。ところが、加速度センサ３の可動体１４を減圧状態に配置すると、敏感に変位してしまうので、たとえ、加速度が印加されていない状態であっても、可動体１４が変位することになる。このことは、加速度センサ３による加速度検出にノイズ成分が発生することを意味し、加速度センサ３の検出感度が低下することになる。つまり、加速度センサ３の可動体１４は、あまり敏感に反応することも加速度センサ３の検出感度を向上する観点からは望ましくないのである。
【００４０】
このことから、角速度センサ２の振動体６と加速度センサ３の可動体１４とをそれぞれ異なる気圧の空間に配置することが考えられる。つまり、角速度センサ２の振動体６を減圧状態に気密封止された空間部に配置し、加速度センサ３の可動体１４を大気圧に気密封止された空間部に配置する。このように構成することにより、角速度センサ２の振動体６は、空気によるダンピングの影響を受けずに、高周波および大きな振幅で振動することができるので、角速度センサの検出感度を向上することができる。一方、加速度センサ３の可動体１４は、大気圧下に置かれるため、空気によるダンピングの影響を受けるので、必要以上の敏感な変位を抑制することができ、この結果、加速度センサの検出感度を向上することができる。
【００４１】
しかし、角速度センサ２の検出感度と加速度センサ３の検出感度を向上するために、角速度センサ２の配置空間と、加速度センサ３の配置空間内の封止圧力を異なったものとすると、以下に示す問題点が発生する。すなわち、角速度センサ２の配置空間と、加速度センサ３の配置空間内の封止圧力を異なったものとする場合、基板（半導体チップ）内で異なる２仕様の圧力管理をするために、気密封止技術と不要気体分子を排除するゲッター材料を製造プロセスに導入する必要があり、製造コストが高くなる弊害がある。また、基板内で異なる２仕様の圧力管理をするために経時変化に対して信頼性を確保することが困難である問題点がある。
【００４２】
したがって、角速度センサ２の封止圧力と加速度センサ３の封止圧力とを同一にすることが望ましいことがわかる。そこで、本実施の形態１では、角速度センサ２の封止圧力と加速度センサ３の封止圧力を同一にし、かつ、角速度センサ２の検出感度を向上させるように封止圧力を大気圧よりも減圧するように構成しても、加速度センサ３の検出感度の低下を抑制できる技術を提供する。
【００４３】
以下では、図２に示すように、角速度センサ２と加速度センサ３を同一の減圧状態に気密封止する場合であっても、加速度センサ３の検出感度が低下することを抑制できる加速度センサ３の構成について説明する。
【００４４】
図３は、本実施の形態１における加速度センサ３を示す平面図である。図３に示すように、本実施の形態１における加速度センサ３は、矩形形状をした周辺部１２の内部に空洞部１３が形成されている。この空洞部１３の内部に、固定部１２ａ、１２ｂおよび可動体１４が形成されている。固定部１２ａ、１２ｂは、半導体基板（半導体チップ）に固定された部位であり、変位できないようになっている。一方、可動体１４は、弾性変形可能な弾性変形部１５を介して、固定部１２ａと接続されている。弾性変形部１５は、図３のｘ方向に弾性変形可能なように構成されているので、可動体１４は、ｘ方向に移動（変位）できるようになっている。特に、可動体１４は、ｘ方向に加速度を受けると変位するように構成されている。すなわち、本実施の形態１における加速度センサ３は、ｘ方向に印加される加速度を検出する加速度センサということができる。
【００４５】
可動体１４には、検出部２２が形成されている。検出部２２は、可動体１４と一体的に設けられた検出電極２２ａと、可動体１４とは分離した固定部１２ｂと接続されている固定電極２２ｂより構成されている。このように検出部２２は、検出電極２２ａと固定電極２２ｂからなる容量素子として形成されており、可動体１４が動くことで検出電極２２ａと固定電極２２ｂの間の距離が変わり、この検出電極２２ａと固定電極２２ｂの距離の変化に基づく容量変化を検出するように構成されている。この検出部２２は、複数の検出電極２２ａと複数の固定電極２２ｂが交互に離間して配置されており、いわゆる櫛歯状に複数の検出電極２２ａと複数の固定電極２２ｂが配置されている。
【００４６】
次に、本実施の形態１における加速度センサ３の特徴的構成について説明する。本実施の形態１における加速度センサ３の特徴の１つは、加速度センサ３に可動体１４の移動を抑制する移動抑制部（ダンパー）２３を設けることにある。つまり、本実施の形態１において、加速度センサ３は、大気圧より減圧された減圧状態で気密封止されているので、可動体１４が非常に動きやすい状態となっている。そこで、本実施の形態１では、可動体１４の移動（変位）を抑制するために、移動抑制部２３を設けている。これにより、加速度センサ３に加速度が印加されていない状態で可動体１４が移動（変位）することを防止することができる。つまり、加速度センサ３の外部から加速度が印加されていない状態では、加速度センサ３の可動体１４は、常に静止していることが望ましいが、減圧雰囲気中において、可動体１４は、非常に振動しやすい状態となっている。このように検出するべき加速度が印加されていない状態であっても、可動体１４が振動すると、正しく加速度を検出することができなくなる。言い換えれば、加速度センサ３の検出感度が低下することになる。そこで、加速度センサ３に可動体１４の移動を抑制する移動抑制部２３を設けることにより、移動抑制部２３が有する空気粘性抵抗効果を利用して、減圧雰囲気中でも可動体１４が振動しにくい状態を実現する。この結果、角速度センサ２と同種・同圧力の気体で気密封止しても、検出感度の高い加速度センサ３を得ることができるのである。
【００４７】
ここでいう移動抑制部２３は、可動体１４の移動を強制的にある一定値以上できないようにするストッパというものではなく、外部環境に対して敏感に反応することを緩和する機能を有する構成要素である。言い換えれば、移動抑制部２３とは、移動抑制部２３を設けない場合に比べて、加速度に対する応答を遅延させる（鈍くさせる）機能を有する構成要素ということができる。この移動抑制部２３によれば、加速度に対する応答を遅延させることができるので、減圧雰囲気中で加速度が印加されていない場合でも、可動体１４がふらつくことなく静止した状態を維持することができる。このため、不必要な可動体１４の変位を排除することができ、加速度センサ３の検出感度を向上することができるのである。
【００４８】
続いて、移動抑制部２３の構成について説明する。図３に示すように、移動抑制部２３は、可動体１４に設けられた複数の突起部２３ａと周辺部１２に設けられ複数の突起部２３ｂより構成されている。そして、この可動体１４と一体的に形成されている複数の突起部２３ａと、周辺部１２と一体的に形成されている複数の突起部２３ｂとは交互に離間して配置されている。このとき、交互に離間して配置された突起部２３ａと突起部２３ｂとの間には空間が存在しており、この空間は封止気体（例えば、空気）などで満たされている。この状態で、可動体１４が動こうとすると、可動体１４と一体的に形成されている突起部２３ａも周辺部１２に固定されている突起部２３ｂに対して動こうとする。しかし、突起部２３ａと突起部２３ｂの間に存在する空気は、空気粘性抵抗効果によって突起部２３ａの変位を妨げるように機能する。このため、突起部２３ａと突起部２３ｂから構成される移動抑制部２３を設けることにより、突起部２３ａが形成されている可動体１４が動きにくくなるのである。これにより、突起部２３ａと突起部２３ｂから構成される移動抑制部２３がダンパーとして機能することがわかる。ここで、移動抑制部２３を突起部２３ａと突起部２３ｂから構成されているとしているが、この突起部２３ａと突起部２３ｂは、それぞれ、可動体１４あるいは周辺部１２から突出していることを強調するために名付けているものである。実際には、平行平板状になっている。可動体１４の移動を抑制する観点からは、突起部２３ａと突起部２３ｂとを複数設けることにより効果が増大する。
【００４９】
さらに、突起部２３ａと突起部２３ｂとの間の距離を狭めれば狭めるほど、突起部２３ａと突起部２３ｂの間に存在する空気による空気粘性抵抗効果は大きくなる。したがって、移動抑制部２３による可動体１４の移動抑制を実現する観点からは、突起部２３ａと突起部２３ｂの間の距離は狭ければ狭いほど望ましい。このため、例えば、突起部２３ａと突起部２３ｂの間の距離は、慣性センサを形成する際の最小加工寸法となるまで狭めることが望ましい。具体的に、慣性センサの最小加工寸法は、１μｍ〜３μｍ程度であるので、突起部２３ａと突起部２３ｂとの間の距離を１μｍ〜３μｍ程度にすることにより、封止空気による空気粘性抵抗効果を特に引き出すことができる。さらに、突起部２３ａの両側に配置されている突起部２３ｂとの距離を共に最小加工寸法となる距離まで狭めることが望ましい。すなわち、突起部２３ａと突起部２３ｂを交互に等間隔で離間して配置することで、空気粘性抵抗効果を向上させることができる。
【００５０】
ここで、移動抑制部２３は、可動体１４の移動方向であるｘ方向の移動を抑制する必要がある。このため、複数の突起部２３ａおよび複数の突起部２３ｂは、可動体１４が加速度を受けて移動するｘ方向と交差する方向に突出するように構成されており、複数の突起部２３ａと複数の突起部２３ｂがｘ方向に並んで配置されるように構成される。このように構成することにより、移動抑制部２３は、可動体１４の移動方向であるｘ方向の変位を抑制することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態１では、角速度センサ２と加速度センサ３とを気密封止する気体として空気を例に説明しているが、気密封止に使用する気体は、空気に限らず、希ガス、窒素ガスあるいはこれらの混合気体などから構成することもできる。特に、粘性抵抗効果を向上する観点からは、粘性抵抗の高い気体を使用することが望ましい。
【００５２】
本実施の形態１における加速度センサ３は上記にように構成されており、以下に、その動作について説明する。まず、加速度センサ３に加速度が印加されていない場合について説明する。この場合、図３において、可動体１４は変位しないが、加速度センサ３が減圧雰囲気中に置かれているため、可動体１４は、静止している状態からふらつく可能性がある。しかし、本実施の形態１では、可動体１４に移動抑制部２３を設けているので、移動抑制部２３を構成する突起部２３ａと突起部２３ｂの間に存在する気体の粘性抵抗効果により、可動体１４の移動が抑制され、常に静止した状態を保つことになる。このため、検出電極２２ａと固定電極２２ｂの間の距離は変化せず。この結果、検出電極２２ａと固定電極２２ｂより構成される容量素子の容量は変化しない。したがって、加速度センサ３は、加速度が印加されていない状態であると判断することができる。つまり、本実施の形態１の特徴の１つである移動抑制部２３が設けられていない場合には、減圧状態であると、加速度が印加されていない状態でも可動体１４が変位し、加速度が印加されていると誤って判断されるおそれがある。しかし、本実施の形態１によれば、減圧状態であっても、可動体１４の移動を抑制する移動抑制部２３が設けられているので、加速度が印加されていない場合に、加速度が印加されていると誤って判断されることを抑制できる。このことから、本実施の形態１における加速度センサ３によれば、加速度の検出感度を向上することができる。
【００５３】
続いて、加速度センサ３に加速度が印加される場合について説明する。加速度センサ３にｘ方向の加速度が印加されると、加速度センサ３の可動体１４が慣性の法則に従って、弾性変形部１５の剛性に応じた分だけｘ方向に変位する。この結果、可動体１４と一体的に形成されている検出電極２２ａと、固定部１２ｂに固定されている固定電極２２ｂとの間の距離が変化する。検出電極２２ａと固定電極２２ｂの間の距離が変化することで、検出電極２２ａと固定電極２２ｂからなる容量素子の静電容量値が変化し、この変化量を電気的に計測することで、可動体１４の移動量を算出し、さらに、可動体１４の移動量から印加された加速度を算出する。このようにして、加速度センサ３によってｘ方向の加速度を検出することができる。
【００５４】
本実施の形態１によれば、角速度センサ２の封止圧力と加速度センサ３の封止圧力を同一にし、かつ、角速度センサ２の検出感度を向上させるように封止圧力を大気圧よりも減圧するように構成しても、加速度センサ３の検出感度の低下を抑制できる。すなわち、角速度センサ２の検出感度と加速度センサ３の検出感度とをともに向上させる方法として、角速度センサ２の配置空間と、加速度センサ３の配置空間内の封止圧力を異なったものとする場合には、基板（半導体チップ）内で異なる２仕様の圧力管理をするために、気密封止技術と不要気体分子を排除するゲッター材料を製造プロセスに導入する必要があり、製造コストが高くなる。さらに、基板内で異なる２仕様の圧力管理をするために経時変化に対して信頼性を確保することが困難である。
【００５５】
これに対し、本実施の形態１では、角速度センサ２の封止圧力と加速度センサ３の封止圧力を同一にし、かつ、角速度センサ２の検出感度を向上させるように封止圧力を大気圧よりも減圧するように構成している。そして、加速度センサ３に移動抑制部２３を設けている。このため、角速度センサ２の検出感度と加速度センサ３の検出感度とをともに向上させることができ、かつ、角速度センサ２の配置空間と、加速度センサ３の配置空間内の封止圧力を異なったものとする必要がないので、製造コストの上昇や異なる封止圧力を管理する必要性がなくなる顕著な効果が得られる。
【００５６】
次に、加速度センサ３に設けられている移動抑制部２３の構成と、加速度センサ３に設けられている検出部２２の構成が異なることについて説明する。図３に示すように、検出部２２は、検出電極２２ａと固定電極２２ｂが交互に離間して配置されている一方、移動抑制部２３は、突起部２３ａと突起部２３ｂが交互に離間して配置されているので、検出部２２と移動抑制部２３とは類似した構成をしていると考えることができる。しかし、検出部２２と移動抑制部２３とは根本的に異なる構成要素であり、移動抑制部２３による可動体１４の移動抑制効果が検出部２２とは異なり顕著であることを説明する。
【００５７】
ＭＥＭＳデバイスにおける空気粘性抵抗効果は，連続流体の古典的な解析手法であるナビエストークス（Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ）方程式と連続方程式を拡張し，近似的に定式化できる。平行平板型の検出電極（突起部）を用いた場合に空気粘性抵抗効果の主原因となるスクイズダンピング項Ｃｓｑは、
Ｃｓｑ＝９６ηｅｆｆｌｗ３／π４ｇ３            （１）
ηｅｆｆ＝η／（１＋９．６３８Ｋｎ１．１５９）    （２）
Ｋｎ＝λ／Ｌ＝ｋＢＴ／√２πｄｇａｓ２ＰＬ      （３）
と表される。但し、ｌは検出電極の長さ、ｗは検出電極の幅、ｇは検出電極間の距離（ギャップ）、ηｅｆｆは周辺気体の粘性の実効値、ηは周辺気体の粘性定数、Ｋｎはクヌッセン数、λは周辺気体の平均自由行程、Ｌは流れ場の代表長さであり検出電極間の距離に相当する長さ、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｄｇａｓは周辺気体の分子の直径、Ｐは周辺気体の圧力である。
【００５８】
設計で調整が可能な空気粘性抵抗効果の支配的な因子は、（１）〜（３）式より検出電極（突起部）間の距離（ギャップ）ｇであり、
Ｃｓｑ∝１／ｇ３                            （４）
の関係がある。つまり，空気粘性抵抗効果を利用する移動抑制部（ダンパー）２３は、空間的に最も密に配置した場合に効果が最大限に得られるものであり、最小加工寸法がｇの場合には、図４（ａ）のような構成となる。すなわち、図４（ａ）は、移動抑制部２３を構成する突起部２３ａと突起部２３ｂの間の距離がｇ（最小加工寸法）である場合を示している図であり、突起部２３ａと突起部２３ｂが交互に等間隔で離間して配置されている状態を示している。
【００５９】
一方、図４（ｂ）は、検出部２２を構成する検出電極２２ａと固定電極２２ｂを示しており、検出電極２２ａと一方の固定電極２２ｂとの間の距離がｇ（最小加工寸法）であり、検出電極２２ａと他方の固定電極２２ｂとの間の距離がＢｇ（ｇのＢ倍）である場合を示している。
【００６０】
厳密に言えば、検出部２２（図４（ｂ）参照）も、図４（ａ）に示す移動抑制部２３と類似の構成となっており、可動体１４が可動方向（ｘ方向）に動くことを抑制する効果があると考えられる。しかしながら、加速度センサ３は加速度ベクトルの正負いずれの方向にも対応しなければならないため、平行平板型の検出部２２は、検出電極２２ａと固定電極２２ｂを交互に等間隔に配置する構成ではなく、図４（ｂ）に示すように、等間隔からずらした配置の構成とすることが一般的である。つまり、検出部２２を構成する検出電極２２ａと固定電極２２ｂを交互に等間隔に配置する場合、加速度の向きが逆で、かつ、加速度の大きさが同じ場合を区別することができない。例えば、検出部２２を構成する検出電極２２ａと固定電極２２ｂを交互に等間隔で配置する場合において、ある一方向の加速度が印加されたとき、一方側での間隔が狭まることによる静電容量の変化ΔＣ１と、他方側での間隔が広がることによる静電容量の変化ΔＣ２を合わせた変化が静電容量変化として観測される。一方、一方向と反対側に同様の大きさの加速度が印加されたとき、他方側での間隔が狭まることによる静電容量の変化ΔＣ１と、一方側での間隔が広がることによる静電容量の変化ΔＣ２を合わせた変化が静電容量変化として観測されることになるが、これは、一方向の加速度が印加される場合と同様の静電容量変化である。したがって、検出部２２を構成する検出電極２２ａと固定電極２２ｂを交互に等間隔に配置する場合、加速度の向きが逆で、かつ、加速度の大きさが同じ場合を区別することができないことがわかる。このため、検出部２２においては、検出電極２２ａと固定電極２２ｂとを交互に配置するが、検出電極２２ａの両側に配置されている固定電極２２ｂとの距離を異なるように配置する。このように非対称に配置することで、加速度の向きが逆で、かつ、加速度の大きさが同じ場合に、間隔が狭まることにより静電容量変化と間隔が広がることによる静電容量変化を合わせた変化が異なることになり区別できるのである。
【００６１】
このように本実施の形態１における移動抑制部２３は、突起部２３ａと突起部２３ｂが交互に等間隔（ｇ）で離間して配置されている構成であるのに対し、検出部２２は、検出電極２２ａと固定電極２２ｂを等間隔からずらした配置の構成とする点で相違する。この相違によって空気粘性抵抗効果が顕著に相違するのである。
【００６２】
移動抑制部２３による空気粘性抵抗効果と検出部２２による空気粘性抵抗効果の比は、
Ｃｓｑ（移動抑制部２３）／Ｃｓｑ（検出部２２）＝２Ｂ３／（Ｂ３＋１）    （５）
であり，検出電極２２ａと固定電極２２ｂの間隔比がＢ＝３の場合、１対の電極あたり検出部２２に対して移動抑制部２３は１．９倍の空気粘性抵効果が得られる。また、最小加工寸法と電極幅が同程度と仮定した場合に得られる空気粘性抵抗効果を単位面積あたりに換算すると、
Ｃｓｑ（移動抑制部２３）／占有面積（移動抑制部２３）／Ｃｓｑ（検出部２２）／（占有面積（検出部２２）＝２Ｂ３／（Ｂ３＋１）×（Ｂ＋４）／５                （６）
であり、検出電極２２ａと固定電極２２ｂの間隔比がＢ＝３の場合には、単位面積あたり検出部２２に対して移動抑制部２３は２．７倍の空気粘性抵抗効果が得られる。したがって、実施の形態１における移動抑制部２３と検出部２２は本質的に異なるものであり、移動抑制部２３の構成をとることにより、検出部２２より遥かに大きな空気粘性抵抗効果が得られるのである。
【００６３】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、角速度センサと加速度センサが別々の半導体基板（半導体チップ）に形成されている例について説明したが、本実施の形態２では、角速度センサと加速度センサを同一の半導体基板（半導体チップ）に形成する例について説明する。
【００６４】
図５は、本実施の形態２における慣性センサ１を示す平面図である。図５に示すように、慣性センサ１のパッケージ方法や、内部気体圧力、移動抑制部（ダンパー）２３の構成や効果は、すでに説明した加速度センサと角速度センサが別々の半導体基板に形成する場合と同様である。異なる点は、角速度センサと加速度センサとを同一の半導体基板に形成している点である。すなわち、本発明では、角速度センサと加速度センサとを大気圧より減圧した同一の圧力で気密封止するため、角速度センサと加速度センサを別々の半導体基板に形成する必要はなく、同一の半導体基板に形成しているものである。
【００６５】
図６は、図５のＡ−Ａ線で切断した断面を模式的に示す断面図である。図６に示すように、パッケージ本体１８ａの内部に半導体基板２５ａが配置されている。この半導体基板２５ａに角速度センサと加速度センサが形成されている。パッケージ本体１８ａは、接着部１８ｃによって蓋１８ｂと接着されており、内部空間２１を気密封止している。この内部空間２１は、大気圧よりも減圧された状態で気密封止されている。これにより、角速度センサにある空洞部と、加速度センサにある空洞部とは、１つのキャップ（蓋１８ｂ）によって封止されている。
【００６６】
本実施の形態２でも、角速度センサの封止圧力と加速度センサの封止圧力を同一にし、かつ、角速度センサの検出感度を向上させるように封止圧力を大気圧よりも減圧するように構成している。そして、図５に示すように、加速度センサに移動抑制部２３を設けている。このため、角速度センサの検出感度と加速度センサの検出感度とをともに向上させることができ、かつ、角速度センサの配置空間と、加速度センサの配置空間内の封止圧力を異なったものとする必要がないので、製造コストの上昇や異なる封止圧力を管理する必要性がなくなる顕著な効果が得られる。
【００６７】
特に、本実施の形態２では、同一の半導体基板（１チップ）上に角速度センサと加速度センサとを集積して製造している。このため、角速度センサと加速度センサをパッケージする組み立て工程において、加速度センサと角速度センサとの間の慣性軸に対するアライメント工程が不要となり、慣性センサとしての更なる高精度化および低コスト化が可能である。すなわち、角速度センサと加速度センサとを備える慣性センサにおいては、角速度センサによるｚ方向回りの角速度検出と、加速度センサによるｘ方向の加速度検出を同時に行なうので、角速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向と加速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向とを合わせる必要がある。このため、角速度センサと加速度センサとを別々の半導体基板で形成する場合には、角速度センサと加速度センサとをパッケージするとき、それぞれの半導体基板の配置位置を調整して角速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向と加速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向とを合わせるアライメント工程が必要となる。これに対し、本実施の形態２のように、同一の半導体基板に角速度センサと加速度センサとを形成する場合には、角速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向と加速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向が既に揃っているので、アライメント工程が不必要となる。さらに、同一の半導体基板に角速度センサと加速度センサとを形成する場合には、角速度センサと加速度センサを密に配置することができるので、角速度センサと加速度センサと別々の半導体基板に形成する場合に比べて慣性センサの小型化を図ることができる。
【００６８】
（実施の形態３）
例えば、加速度センサと角速度センサを同一の半導体基板（１チップ）上に集積する慣性センサでは、加速度センサと角速度センサは同種・同一圧力の空間内に配置することができる。このため、図７に示すようなウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ：Wafer Level Package）で管理することも容易である。角速度センサと加速度センサは、半導体ウェハに形成されている個々のチップ領域に形成されているが、角速度センサと加速度センサを形成しているチップ領域を個片化する前に、それぞれのチップ領域をキャップにより封止する技術をウェハレベルパッケージという。図７は、慣性センサをウェハレベルパッケージした構成を示す模式的な断面図であり、同一の半導体基板２５ａに形成されている角速度センサと加速度センサとをキャップ２７で封止し、半導体基板２５ａを配線基板２６上に搭載している様子を示している。ウェハレベルパッケージによれば、半導体ウェハを個々のチップにダイシングする前に、各チップ領域にキャップ２７を使用して封止するので、気密封止した内部空間２１にダイシングにより発生する異物の入り込みを防止することができる。このため、慣性センサの信頼性向上を図ることができる。また、ウェハレベルパッケージによれば、パッケージのサイズを半導体基板２５ａのサイズと同程度にすることができるので、慣性センサの小型化も達成することができる。
【００６９】
角速度センサと封止圧力と加速度センサの封止圧力を異なる圧力にする慣性センサをウェハレベルパッケージする場合には、ウェハレベルパッケージの蓋に相当する部材に設けた突起部により、角速度センサの封止空間と加速度センサの封止空間を分離して、加速度センサと角速度センサの封止空間を異なる圧力で管理する必要がある。つまり、加速度センサの封止空間（キャビティ）をたとえば大気圧に、角速度センサの封止空間をたとえば１０００Ｐａに減圧しなければならず、製造工程中で圧力を調整することは非常に困難である。場合によっては、より減圧雰囲気中に配置する必要がある角速度センサの封止空間（キャビティ）に選択的にゲッター材を塗布する必要がある。これに対して、本実施の形態３では、加速度センサに移動抑制部（ダンパー）を設けることで、加速度センサも角速度センサも、例えば１０００Ｐａに減圧した同一の封止空間に配置することができる。このため、本実施の形態３によれば、ウェハレベルパッケージを行なう製造工程を簡易化することができ、かつ、圧力の経時変化に対して信頼性の高い慣性センサを得ることができる。
【００７０】
（実施の形態４）
前記実施の形態１では、加速度センサにだけ移動抑制部を設けているが、本実施の形態４では、角速度センサと加速度センサの両方に移動抑制部を設ける例について説明する。図８は、本実施の形態４における慣性センサを示す平面図である。図８に示すように、この慣性センサ１は、パッケージ１８と、パッケージ１８の内部に配置された角速度センサ２と加速度センサ３により構成される。パッケージ１８は、金属部材もしくはプラスチック部材で形成された板状の部品で蓋をするが、このときのパッケージ１８の内部は、角速度センサ２の振動体６と加速度センサ３の可動体１４が振動可能な状態で設置される封止空間を有し、この封止空間は、角速度センサ２の振動体６が設定以上の振幅で振動ができるよう雰囲気が減圧されている。このとき、角速度センサ２と加速度センサ３は、同種・同圧力の気体にて気密封止されている。さらに、慣性センサ１が安定的に出力をすべき期間に渡って、パッケージ１８の外部の気体がパッケージ１８の内部へ移動しない程度の気密性が保持されている。
【００７１】
パッケージ１８の内部では、同種・同圧力の気体にて封止されている角速度センサ２と加速度センサ３であるが、本実施の形態４においては、加速度センサ３の可動体１４に可動体１４の移動を抑制する移動抑制部（ダンパー）２３を設け、同時に、角速度センサ２のコリオリ素子９にも、コリオリ素子９の移動を抑制する移動抑制部（ダンパー）２８を設けている点に特徴の１つがある。
【００７２】
加速度センサ３の可動体１４に移動抑制部２３を設けている理由は前記実施の形態１と同様である。すなわち、加速度センサ３の外部から加速度が印加されていない状態では、加速度センサ３の可動体１４は、常に静止していることが望ましいが、減圧雰囲気中において、可動体１４は、非常に振動しやすい状態となっている。このように検出するべき加速度が印加されていない状態であっても、可動体１４が振動すると、正しく加速度を検出することができなくなる。言い換えれば、加速度センサ３の検出感度が低下することになる。そこで、加速度センサ３に可動体１４の移動を抑制する移動抑制部２３を設けることにより、移動抑制部２３が有する空気粘性抵抗効果を利用して、減圧雰囲気中でも可動体１４が振動しにくい状態を実現する。この結果、角速度センサ２と同種・同圧力の気体で気密封止しても、検出感度の高い加速度センサ３を得ることができるのである。
【００７３】
さらに、本実施の形態４では、角速度センサ２のコリオリ素子９にも移動抑制部２８を設けている。この移動抑制部２８の構成について説明する。図８に示すように、移動抑制部２８は、コリオリ素子９に設けられた複数の突起部（第３突起部）２８ａと固定部（第３固定部）４ｄに設けられ複数の突起部（第４突起部）２８ｂより構成されている。そして、このコリオリ素子９と一体的に形成されている複数の突起部２８ａと、固定部４ｄと一体的に形成されている複数の突起部２８ｂとは交互に離間して配置されている。このとき、交互に離間して配置された突起部２８ａと突起部２８ｂとの間には空間が存在しており、この空間は封止気体（例えば、空気）などで満たされている。この状態で、コリオリ素子９が動こうとすると、コリオリ素子９と一体的に形成されている突起部２８ａも固定部４ｄに固定されている突起部２８ｂに対して動こうとする。しかし、突起部２８ａと突起部２８ｂの間に存在する空気は、空気粘性抵抗効果によって突起部２８ａの変位を妨げるように機能する。このため、突起部２８ａと突起部２８ｂから構成される移動抑制部２８を設けることにより、突起部２８ａが形成されているコリオリ素子９が動きにくくなるのである。これにより、突起部２８ａと突起部２８ｂから構成される移動抑制部２８がダンパーとして機能することがわかる。
【００７４】
さらに、突起部２８ａと突起部２８ｂとの間の距離を狭めれば狭めるほど、突起部２８ａと突起部２８ｂの間に存在する空気による空気粘性抵抗効果は大きくなる。したがって、移動抑制部２８によるコリオリ素子９の移動抑制を実現する観点からは、突起部２８ａと突起部２８ｂの間の距離は狭ければ狭いほど望ましい。このため、例えば、突起部２８ａと突起部２８ｂの間の距離は、慣性センサを形成する際の最小加工寸法となるまで狭めることが望ましい。そして、突起部２８ａの両側に配置されている突起部２８ｂとの距離を共に最小加工寸法となる距離まで狭めることが望ましい。すなわち、突起部２８ａと突起部２８ｂを交互に等間隔で離間して配置することで、空気粘性抵抗効果を向上させることができる。
【００７５】
ここで、移動抑制部２８は、コリオリ素子９の移動方向であるｙ方向の移動を抑制する必要がある。このため、複数の突起部２８ａおよび複数の突起部２８ｂは、コリオリ素子９がコリオリ力を受けて移動するｙ方向と交差する方向に突出するように構成されており、複数の突起部２８ａと複数の突起部２８ｂがｙ方向に並んで配置されるように構成される。このように構成することにより、移動抑制部２８は、コリオリ素子９の移動方向であるｙ方向の変位を抑制することができる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態４では、角速度センサ２のコリオリ素子９にも移動抑制部２８を設けているが、この理由について説明する。角速度センサ２は、振動ジャイロとして振動振幅を常に大きく確保したい軸方向（ｘ方向）と、角速度が印加された際にコリオリ力を受けてコリオリ素子９が移動する軸方向（ｙ方向）があり、両方向は直交している。外部から角速度が印加されていない状態では、コリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９は移動方向（ｙ方向）に対しては速度成分を持たないことが望ましいが、減圧雰囲気中では、コリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９は非常に振動しやすい状態となっている。したがって、角速度センサ２の振動軸（ｘ方向）の振動が角速度センサ２の内部を介してコリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９に伝播されやすくなっている。このため、検知すべき角速度が印加されていない状態であっても、コリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９がｙ方向に振動して、正しい角速度信号を出力できない可能性がある。そこで、コリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９に移動抑制部（ダンパー）２８を設置し、移動抑制部（ダンパー）２８の有する空気粘性抵抗効果を利用することにより、減圧雰囲気中でもコリオリ力を受けて移動するコリオリ素子９が振動しにくい状態を実現する。この結果、角速度センサ２と加速度センサ３が同種・同圧力（減圧）の気体にて気密封止されていても、検出感度が高い角速度センサを得ることができるのである。
【００７７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７８】
前記実施の形態では、加速度センサと角速度センサの慣性質量体が別々に構成される例について説明したが、加速度センサと角速度センサの慣性質量体を共有する１マス構成の慣性センサについても本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、角速度センサと加速度センサを備える慣性センサを製造する製造業に幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態１における慣性センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した模式的な断面図である。
【図３】実施の形態１における加速度センサの構成を示す平面図である。
【図４】（ａ）は移動抑制部の詳細構成を示す図であり、（ｂ）は検出部の詳細構成を示す図である。
【図５】実施の形態２における慣性センサの構成を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線で切断した模式的な断面図である。
【図７】実施の形態３における慣性センサの構成を示す模式的な断面図である。
【図８】実施の形態４における慣性センサの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  慣性センサ
２  角速度センサ
２ａ  半導体基板
３  加速度センサ
３ａ  半導体基板
４  周辺部
４ａ  固定部
４ｂ  固定部
４ｃ  固定部
４ｄ  固定部
５  空洞部
６  振動体
７  弾性変形部
８  駆動部
９  コリオリ素子
１０  弾性変形部
１１  検出部
１１ａ  検出電極
１１ｂ  固定電極
１２  周辺部
１２ａ  固定部
１２ｂ  固定部
１３  空洞部
１４  可動体
１５  弾性変形部
１６  端子
１７  ワイヤ
１８  パッケージ
１８ａ  パッケージ本体
１８ｂ  蓋
１８ｃ  接着部
１９  リード
２０  接着材
２１  内部空間
２２  検出部
２２ａ  検出電極
２２ｂ  固定電極
２３  移動抑制部
２３ａ  突起部
２３ｂ  突起部
２５ａ  半導体基板
２６  配線基板
２７  キャップ
２８  移動抑制部
２８ａ  突起部
２８ｂ  突起部
【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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