(57)【要約】【課題】高感度を維持しつつエアダンピング効果を低減することのできる物理量センサを提供する。【解決手段】加速度センサは、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極４と、可動電極４の上面に対向して配置された上部固定板２ａと、可動電極４の下面に対向して配置された下部固定板２ｂとを備え、可動電極４の下面に形成された凹部１１ｂ，１１ｄ，１２を塞いだことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動部と、
前記可動部の一方面に対向して配置された一方固定板と、
前記可動部の他方面に対向して配置された他方固定板とを備え、
前記可動部の他方面に形成された凹部を塞いだことを特徴とする物理量センサ。
【請求項２】
平板でふたをすることで前記凹部を塞いだことを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
【請求項３】
前記可動部を犠牲層エッジングによりコの字型に形成することで前記凹部を塞いだことを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
【請求項４】
前記可動部の略２倍以上の比重の金属を前記凹部に埋め込むことで前記凹部を塞いだことを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
【請求項５】
前記可動部の一方面のエアダンピング効果が高い領域に掘り込みを形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物理量センサ。
【請求項６】
前記掘り込みは、前記可動部を揺動自在に支持するビーム部を対称軸とする２つの略半楕円領域であることを特徴とする請求項５記載の物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から与えられる物理量を検出する物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、可動電極を有する矩形形状の重り部と、前記重り部を揺動自在に支持するビームと、重り部に対して対向するように配置された第１及び第２の固定電極とを備える加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような加速度センサでは、加速度が加えられた際に、一対のビームを結ぶ直線（ビーム軸）を回転軸とした回転モーメントが重り部に発生するように、重り部に凹部が形成されている。これにより、ビーム軸を境界線とした重り部の一方側と他方側とで重量が異なるようにしている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６１７７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の加速度センサでは、高感度を実現するために狭ギャップ構造を採用しているが、重り部におけるビーム軸を境界線とした一方側にのみ凹部を形成した場合は、左右のバランスが崩れてエアダンピング効果が制御できず、所望の周波数特性（応答性）が得られない。具体的には、エアダンピングが効きすぎて減衰量が大きすぎるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高感度を維持しつつエアダンピング効果を低減することのできる物理量センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、物理量センサであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動部と、前記可動部の一方面に対向して配置された一方固定板と、前記可動部の他方面に対向して配置された他方固定板とを備え、前記可動部の他方面に形成された凹部を塞いだことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明において、平板でふたをすることで前記凹部を塞いでもよい。
【０００８】
また、本発明において、前記可動部を犠牲層エッジングによりコの字型に形成することで前記凹部を塞いでもよい。
【０００９】
また、本発明において、前記可動部の略２倍以上の比重の金属を前記凹部に埋め込むことで前記凹部を塞いでもよい。
【００１０】
また、本発明において、前記可動部の一方面のエアダンピング効果が高い領域に掘り込みを形成してもよい。
【００１１】
また、本発明において、前記掘り込みは、前記可動部を揺動自在に支持するビーム部を対称軸とする２つの略半楕円領域であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る物理量センサによれば、可動電極の下面に形成された凹部を塞いでいるので、高感度を維持しつつエアダンピング効果を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態における加速度センサの分解斜視図である。
【図２】第１実施形態における加速度センサのセンサチップの下面図である。
【図３】第１実施形態における加速度センサの断面図である。
【図４】第１実施形態における加速度センサに形成された凹部を塞ぐ例を示す図である。
【図５】第１実施形態における加速度センサに形成された凹部を塞ぐ例を示す図である。
【図６】第１実施形態における加速度センサに形成された凹部を塞ぐ例を示す図である。
【図７】第２実施形態における加速度センサの可動電極を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
〔加速度センサの構成〕
第１実施形態における加速度センサは、物理量センサの一例であって、図１に示すように、シリコンＳＯＩ基板により形成されたセンサチップ１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。そして、エアダンピングが効きすぎる問題を回避するために、センサチップ１内の可動電極の下面に形成された凹部を塞いでいる（後述する）。
【００１６】
センサチップ１は、２つの矩形枠３ａ，３ｂを有するフレーム部３と、矩形枠３ａ，３ｂの側壁部に対し隙間をあけた状態で矩形枠３ａ，３ｂ内に配置された矩形形状の２つの可動電極４，５とを備えている。また、センサチップ１は、可動電極４の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠３ａの側壁部とを連結することにより可動電極４をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部６ａ，６ｂと、可動電極５の表面の対向する２辺の略中央と矩形枠３ｂの側壁部とを連結することにより可動電極５をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部７ａ，７ｂとを備えている。さらに、センサチップ１は、フレーム部３，可動電極４，及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極８ａ，８ｂと、フレーム部３、可動電極５、及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極９ａ，９ｂと、検出電極８ｂと検出電極９ａ間のフレーム部３表面に形成された接地電極１０とを備えている。検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂは、それぞれ、後述する固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂ間、検出電極９ａと検出電極９ｂ間、検出電極８ａ，８ｂとフレーム部３間、検出電極９ａ，９ｂとフレーム部３間、検出電極８ａ，８ｂと可動電極４間、及び検出電極９ａ，９ｂと可動電極５間には隙間が形成されている。このような構成によれば、各検出電極が電気的に絶縁されるようになるので、各検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことが可能になる。なお、これらの隙間や矩形枠３ａ，３ｂ内の空間には空気等の気体が封入され、大気圧に近い状態で密封されている。
【００１７】
可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１２が形成されている。同様に、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。また、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１４が形成されている。これら凹部は、エアダンピングが効きすぎる問題を回避するために、後述する方法で塞がれる。
【００１８】
本実施形態では、第１の凹部と第２の凹部を別体として形成したが、例えば第１の凹部を前記境界線を超えて他方側に拡大することにより第１の凹部と第２の凹部を一体として形成してもよい。また、第１の凹部の形状は、図２に示す三角形状に限定されることはなく、第２の凹部と同様の矩形形状としてもよい。さらに、第２の凹部を形成する位置は、図３に示すように、可動電極の重心位置Ｏとビーム部がなす角度θが４５度になることによりｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置であれば特に限定されることはない。境界線からより遠い側に第２の凹部を形成すれば、回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。
【００１９】
可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では可動電極４についてのみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部１５ａ〜１５ｇが形成されている。このような突起部１５ａ〜１５ｇを形成することにより、可動電極４，５に測定レンジを超える大きな加速度が印加された場合であっても、可動電極４，５は対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突しないので、センサチップ１を破損を抑制できる。本実施形態では、可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部を形成したが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの可動電極４，５と対向する面に同様の突起部を形成するようにしてもよい。
【００２０】
上部固定板２ａはガラス基板により形成され、その可動電極４と対向する表面側には、ビーム部６ａとビーム部６ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２０ａ，２０ｂが設けられている。同様に、上部固定板２ａの可動電極５と対向する表面側には、ビーム部７ａとビーム部７ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２１ａ，２１ｂが設けられている。上部固定板２ａの検出電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び接地電極１０に対向する位置にはスルーホール２２ａ〜２２ｅが形成され、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂと接地電極１０の出力が取り出されるようになっている。下部固定板２ｂはガラス基板により形成され、その可動電極４，５の裏面と対向する面側には、可動電極４，５の裏面に対し間隔をあけてアルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成された付着防止膜２３ａ，２３ｂが配置されている。このような付着防止膜２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動電極４，５が動作時に下部固定板２ｂに付着することを防止できると共に、過大衝撃時でも可動電極４，５と下部固定板２ｂが直接接触しないため衝撃を緩和できる。
【００２１】
〔加速度センサの動作〕
次に、第１実施形態における加速度センサの動作を説明する。この加速度センサは、以下のようにしてセルフテストを行うと共にｘ方向及びｚ方向の加速度を検出する。
【００２２】
〔セルフテスト〕
可動電極４を動作させる場合は、固定電極２０ａ又は固定電極２０ｂと可動電極４間に吸引力を発生させる。同様に、可動電極５を動作させる場合は、固定電極２１ａ又は固定電極２１ｂと可動電極５間に吸引力を発生させる。付着防止膜２３ａ，２３ｂと可動電極４，５との間に吸引力を発生させて同様な動作確認を行ってもよい。これにより、可動電極４，５が揺動することにより固定電極２０ａ，２０ｂと可動電極４間及び固定電極２１ａ，２１ｂと可動電極５との間の静電容量が変化するので、加速度センサが正常に動作するか否かを確認できる。
【００２３】
〔ｘ方向の加速度検出〕
可動電極４にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（１），（２）のようになる。数式（１），（２）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２４】
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ  …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ  …（２）
同様に、可動電極５にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（３），（４）のようになる。数式（３），（４）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２５】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（４）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｘ方向の加速度を検出できる。
【００２６】
〔ｚ方向の加速度検出〕
可動電極４にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（５），（６）のようになる。数式（５），（６）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２７】
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ  …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ  …（６）
同様に、可動電極５にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（７），（８）のようになる。数式（７），（８）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２８】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（８）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｚ方向の加速度を検出できる。
【００２９】
〔エアダンピング効果の制御〕
既に説明した通り、従来は、エアダンピングが効きすぎて減衰量が大きすぎるという問題があった。そこで、本実施形態では、図３に示すように、可動電極（可動部）４の下面（他方面）に形成された凹部を塞いでいる。ここでいう凹部は、１１ａ〜１１ｄ，１２，１３ａ〜１３ｄ，１４であるが、これに限定されるものではない。このように凹部を塞げば、下ギャップの左右のアンバランスが解消されるので、エアダンピングが効きすぎる問題を回避することができ、所望の周波数特性を得ることが可能である。ここでは可動電極４を例示しているが、可動電極５についても同様である。
【００３０】
凹部を塞ぐ方法としては、図４に示すように、ガラスや金属等の平板４ｃでふたをするようにしてもよい。あるいは、図５に示すように、可動電極４を犠牲層エッジングによりコの字型に形成するようにしてもよい。さらには、図６に示すように、可動電極４の略２倍以上の比重の金属４ｅを凹部に埋め込むようにしてもよい。このような金属４ｅを埋め込めば、ビーム軸を境界線とした可動電極４の一方側と他方側とで重量差を生じさせることができる。もちろん、全部の凹部に金属４ｅを埋め込む必要はない。例えば、凹部１１ａ〜１１ｄ，１２，１３ａ〜１３ｄ，１４のうち、可動電極４の一方側に形成された凹部１１ａ〜１１ｄ，１３ａ〜１３ｄにのみ金属４ｅを埋め込むようにしてもよい。
【００３１】
以上のように、第１実施形態における加速度センサによれば、可動電極４の下面に形成された凹部を塞いでいるので、高感度を維持しつつエアダンピング効果を低減することができる。すなわち、エアダンピングが効きすぎる問題を回避することができ、所望の周波数特性を得ることが可能である。
【００３２】
また、第１実施形態における加速度センサによれば、（１）平板でふたをする、（２）可動電極４をコの字型に形成する、（３）金属４ｅを凹部に埋め込む、という様々な方法で、可動電極４の下面に形成された凹部を塞ぐことができる。
【００３３】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態における加速度センサの構成を第１実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３４】
図７は、第２実施形態における加速度センサの可動電極４（５）を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第２実施形態では、可動電極４の上面のエアダンピング効果が高い領域に掘り込みを形成している。これにより、ギャップ内の気体を掘り込みに逃がすことができる。ここでは、解析上、最も気体の圧縮率が高い領域、すなわち、ビーム部６ａ，６ｂを対称軸とする２つの略半楕円領域４ａ，４ｂに掘り込みを形成している。略半楕円領域４ａ，４ｂの形状や大きさは、所望の周波数特性が得られるように調整することが可能である。
【００３５】
以上のように、第２実施形態における加速度センサによれば、可動電極４の上面のエアダンピング効果が高い領域に掘り込みを形成しているので、高感度を維持しつつエアダンピング効果を低減することができる。すなわち、エアダンピングが効きすぎる問題を回避することができ、所望の周波数特性を得ることが可能である。
【００３６】
また、第２実施形態における加速度センサによれば、ビーム部６ａ，６ｂを対称軸とする２つの略半楕円領域４ａ，４ｂの掘り込みを形成している。これにより、最も気体の圧縮率が高い領域が開放されるので、効率よくエアダンピング効果を低減することができる。
【００３７】
なお、ここでは、物理量センサの一例として加速度センサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、抵抗の変化により圧力を検出する圧力センサ等であっても同様に本発明を適用することが可能である。
【００３８】
また、ここでは、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、前記実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
２ａ  上部固定板（一方固定板）
２ｂ  下部固定板（他方固定板）
４  可動電極（可動部）
１１ａ〜１１ｄ，１２，１３ａ〜１３ｄ，１４  凹部
４ｃ  平板
４ａ，４ｂ  略半楕円領域
６ａ，６ｂ  ビーム部
【図１】
2012117969.tif 000003
【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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