JPH06102286A

JPH06102286A - 静電容量式加速度センサ

Info

Publication number: JPH06102286A
Application number: JP27552292A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Konaka; 義宏小中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-09-19
Filing date: 1992-09-19
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】センサの電極に対する左，右方向の加速度を
高精度に検出する。【構成】シリコン基板２１と２２の間に支持梁２９を
介して誘電体２８が支持される。前記シリコン基板２
１，２２の対向面には、下側には長方形状の複数個の下
側固定電極２５，２６が、上側には正方形状の上側固定
電極２７が形成されている。また、誘電体２８には３本
の貫通穴３０が穿設され、残りの各被検出部３１は前記
各固定電極２５，２６，２７に対して等しい離間距離、
有効面積となる。そして被検出部３１の各固定電極２
５，２６内への侵入により静電容量が変化し、左，右方
向の加速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量式加速度セン
サに関し、特に電極に対して水平方向の加速度を高精度
に検出できる静電容量式加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、車両等の加速度や回転方向を検
出するのに用いられる静電容量式加速度センサは、電極
間の静電容量を利用して検出するもので、例えば特開平
３−９４１６９号公報および特開昭６２−２３２１７１
号公報のようなものが知られている。

【０００３】そこで、図９に第１の従来技術による静電
容量式加速度センサとして特開平３−９４１６９号に記
載の半導体容量式加速度センサを例に挙げて示す。

【０００４】図中、１，２，３は３枚のシリコン基板を
示し、該各シリコン基板１，２，３のうち、真中に位置
したシリコン基板２は、異方性エッチングにより、ビー
ム４（片持梁）で支持された可動電極部５が形成されて
いる。該可動電極部５の厚さは、シリコン基板２の厚さ
よりも薄く形成され、固定電極板となるシリコン基板１
または３の方向に変位可能になっている。

【０００５】また、６はシリコン基板１，２の間に発生
する信号を処理する信号処理回路である。

【０００６】そして、このように構成される各基板１，
２，３を重合させる場合には、各基板１，２，３が短絡
しないように、各接合面は酸化処理を施した後に積層す
るようになっている。

【０００７】このように構成される第１の従来技術にお
ける半導体容量式加速度センサにおいては、上，下方向
の加速度（または減速度）が加わった場合には、可動電
極部５に働く慣性力とビーム４による復元力との釣合い
から、その加速度に応じて可動電極部５と固定電極とし
ての各シリコン基板１，３との間の隙間寸法が変化す
る。そして、前記隙間寸法に対応した静電容量を信号処
理回路６に出力し、該信号処理回路６ではこの静電容量
を処理して、加速度に応じた信号として図示しない制御
回路等に出力する。

【０００８】次に、図１０に第２の従来技術による静電
容量式加速度センサとして特開昭６２−２３２１７１号
に記載の半導体加速度センサを例に挙げて示す。

【０００９】図中、１１はシリコン基板を示し、該シリ
コン基板１１にはエッチングによって上面から下面まで
貫通する溝１２が設けられ、該溝１２によって支持部１
３付近を除いて外部の基板１１と離間した片持梁１４が
形成されている。また該片持梁１４の先端側には、重り
部１５が設けられている。

【００１０】なお、片持梁１４の支持部１３付近におけ
る幅、即ちシリコン基板１の面の水平方向における幅寸
法は、シリコン基板１１の厚さ寸法よりも小さくなるよ
うに設定されているから、片持梁１４はシリコン基板１
１の面に垂直な方向の加速度に対しては変位せず、面に
水平な方向の加速度に対して変位するようになってい
る。

【００１１】このように構成される第２の従来技術にお
いては、重り部１５とシリコン基板１１の溝１２とのそ
れぞれの隙間寸法により静電容量（図１０参照）が変化
するから、シリコン基板１１の面に対して水平方向
（左，右方向）の加速度を静電容量の変化として検出す
ることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した如
く、第１の従来技術による加速度センサにおいては、可
動電極部５と各シリコン基板１，３との間の隙間寸法
は、上，下方向の加速度の大きさに比例した出力を得る
ことができるものの、静電容量は隙間寸法に反比例す
る。このため、加速度の大きさに応じたリニアな出力を
得ることは不可能である。

【００１３】また、リニアな出力を得ようとする場合に
は、外部の信号処理回路６をリニアライザ等の複雑な補
正回路で構成する必要があり、コスト高になるという問
題がある。

【００１４】さらに、第２の従来技術による加速度セン
サにおいても、前述した第１の従来技術と同様に、重り
部１５とシリコン基板１１とのそれぞれの隙間寸法の変
位による静電容量の変化で、左，右方向の加速度を検出
しているから、リニアな出力を得ることができない。

【００１５】さらに、重り部１５が上，下方向の加速度
により変位した場合には、シリコン基板１１との有効面
積が変化し、正確な左，右方向の加速度を検出できない
という問題がある。

【００１６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、電極に対して垂直方向の加速度に対する
ノイズを除去し、電極に対して水平方向の加速度を精度
良く検出できるようにした静電容量式加速度センサを提
供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する静電容量式加速度センサは、
上，下に配設された一対の基板と、該各基板間に少なく
とも１個の支持梁を介して設けられた誘電体と、該誘電
体の水平方向の移動を静電容量の変化として検出すべく
前記各基板の対向面にそれぞれ設けられ、少なくとも一
方が複数個となる固定電極とから構成したことにある。

【００１８】

【作用】上記構成により、水平方向の加速度が加わる
と、各固定電極間に配設された誘電体が加速度に対応し
て水平方向に移動し、上，下に配設された固定電極，複
数個の固定電極と誘電体との侵入体積を変化させ、これ
により両電極間からは水平方向の加速度に比例した静電
容量を得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図８に基
づいて説明する。

【００２０】まず、第１の実施例を図１ないし図４に示
す。

【００２１】図中、２１，２２は上，下に位置した肉厚
の異なる正方形状に形成された一対のシリコン基板をそ
れぞれ示し、該シリコン基板２１は下側に位置したシリ
コン基板２２よりも厚肉に形成され、その下面側には異
方性エッチングにより凹溝２３が形成されている。一
方、下側に位置したシリコン基板２２の上面側には矩形
状の酸化膜２４が形成されている。

【００２２】２５，２５，…、２６，２６，…は下側に
位置した基板２２の上面側に形成された下側固定電極を
それぞれ示し、該各下側固定電極２５，２６は前後方向
に向けて伸長するようにＣｒ等により面積Ｓの長方形状
に形成され、それぞれ交互に合計８本、順次配設されて
いる。また、該各下側固定電極２５，２６は点線で示す
それぞれの配線パターン２５Ａ，２６Ａを介して外部に
信号を導出する。

【００２３】２７は上側に位置した基板２１の凹溝２３
の底部２３Ａに形成された上側固定電極を示し、該上側
固定電極２７は凹溝２３の底部２３Ａをほぼ覆うように
略正方形状に形成されている。また、該上側固定電極２
７は点線で示す配線パターン２７Ａを介して外部に信号
を導出する。

【００２４】２８は各基板２１，２２間に配設された誘
電体を示し、該誘電体２８は例えばＰＺＴ，Ｔａ₂ Ｏ₅
等の高誘電率ε（ε≫ε0 但し、ε0 ：空気中の誘電
率）を有する材料により正方形状に形成され、前，後の
各辺には前後方向に伸長し、左右方向に対して所定の弾
性力を有した支持梁２９，２９が形成されている。な
お、各支持梁２９は図１に示す如く、幅寸法よりも高さ
寸法が大きくなるように形成され、誘電体２８が左，右
方向に移動し易いようになっている。

【００２５】３０，３０，３０は誘電体２８に形成され
た複数個の長方形状をなす貫通穴を示し、該各貫通穴３
０により誘電体２８に残った部分が前後方向に伸長する
４本の被検出部３１，３１，…となる。また、該各被検
出部３１は図２および図４に示すように、各下側固定電
極２５，２６および上側固定電極２７との離間距離Ｈ、
各下側固定電極２５，２６と重なり合う有効面積が等し
くなるように設定されている。

【００２６】なお、配線パターン２５Ａ，２６Ａ，２７
Ａからそれぞれ検出される信号を信号Ａ，Ｂ，Ｃとす
る。

【００２７】本実施例による静電容量式加速度センサは
上述の如き構成を有するもので、次に、その製造方法に
ついて説明する。なお、便宜上、図２の紙面の上，下方
向を上，下方向と、左，右方向を左，右方向、紙面の
表，裏方向を前，後方向と呼ぶものとする。

【００２８】まず、上側に位置する基板２１に異方性エ
ッチングにより凹溝２３を形成し、該凹溝２３の底部２
３ＡにＣｒ等によりほぼ正方形状の上側固定電極２７を
形成する。このとき、エッチング時間等の調整により凹
溝２３の深さを設定する。

【００２９】一方、下側に位置する基板２２の中心部付
近の所定位置には、Ｃｒ等により長方形状の下側固定電
極２５，２６を合計８本形成した後、基板２２の上面側
に犠牲層となるシリコン酸化膜をそれぞれ堆積させる。
そして、このシリコン酸化膜上にＰＺＴ，Ｔａ₂ Ｏ₅ 等
の材料をＣＶＤ法，スパッタ法によりパターニングして
各支持梁２９，誘電体２８等を堆積させる。その後に、
誘電体２８および各支持梁２９の下側にあるシリコン酸
化膜の中心部分をエッチングして除去することにより、
基板２２上に矩形状の酸化膜２４を形成し、誘電体２８
を各下側固定電極２５，２６から離間距離Ｈを有して支
持する。

【００３０】そして、最後に各基板２１，２２を支持梁
２９を介して接合することにより静電容量式加速度セン
サを形成する。そして、このとき、誘電体２８と各下側
固定電極２５，２６および上側固定電極２７との離間寸
法は等しい離間距離Ｈとなる。なお、製造はシリコンウ
ェハの状態で形成するので、一度に多数個のセンサを容
易に製造できる。

【００３１】次に、図４に基づいて、本実施例による静
電容量式加速度センサの検出動作を説明する。なお、説
明の便宜上、各固定電極２５，２６，２７および誘電体
２８の被検出部３１のみを１個づつ示している。

【００３２】また、下側固定電極２５内に侵入する被検
出部３１の有効面積をＳ1 、下側固定電極２６内に侵入
する被検出部３１の有効面積をＳ2 とする。さらに、配
線パターン２５Ａ，２７Ａにより導出される信号Ａ，Ｃ
から検出される静電容量をＣ1 ，配線パターン２６Ａ，
２７Ａにより導出される信号Ｂ，Ｃから検出される静電
容量をＣ2 とする。

【００３３】図４の上図は、静電容量式加速度センサに
加速度を加えていないときの状態を示し、この場合に
は、後述する数１を満足するようになっている。

【００３４】

【数１】Ｓ1 ＝Ｓ2

【００３５】また、各下側固定電極２５，２６と上側固
定電極２７との離間距離Ｈ、各下側固定電極２５，２６
および上側固定電極２７により検出される静電容量は一
般に次式の数２のようになる。

【００３６】

【数２】

【００３７】そして、下側固定電極２５，上側固定電極
２７内に誘電率εの被検出部３１が有効面積Ｓ1 分侵入
し、下側固定電極２６，上側固定電極２７内に誘電率ε
の被検出部３１が有効面積Ｓ1 分侵入したときの、静電
容量Ｃ1 ，Ｃ2 は数３のようになる。

【００３８】

【数３】

【００３９】次に、図４の左下に、センサに対して右向
きの加速が加わった場合を示す。このときには、被検出
部３１は慣性力により左側に移動して、下側固定電極２
５内に侵入する。そして、該被検出部３１と下側固定電
極２５との有効面積Ｓ1 が大きくなり、下側固定電極２
６との有効面積Ｓ2 が小さくなるから、前記数３より次
の数４が成り立つ。

【００４０】

【数４】Ｃ１＞Ｃ２

【００４１】一方、図４の右下に、センサに対して左向
きの加速が加わった場合を示す。このときには、被検出
部３１は慣性力により右側に移動して、下側固定電極２
６内に侵入する。そして、該被検出部３１と下側固定電
極２５との有効面積Ｓ1 が小さくなり、下側固定電極２
６との有効面積Ｓ2 が大きくなるから、前記数３から次
の数５が成り立つ。

【００４２】

【数５】Ｃ1 ＜Ｃ2

【００４３】このように、本実施例による静電容量式加
速度センサにおいては、センサに対して水平方向の加速
度が加わると、加速度の大きさに対応して被検出部３１
が左，右方向に変位する。そして、被検出部３１が左側
に移動したときには、下側固定電極２５，上側固定電極
２７間に侵入する被検出部３１の侵入体積が増加して静
電容量Ｃ1 が増加し、被検出部３１が右方向に移動した
ときには、下側固定電極２６と上側固定電極２７間に侵
入する被検出部３１の侵入体積が増加して静電容量Ｃ2
が増加する。これにより、加速度に応じたリニアな各静
電容量Ｃ1 ，Ｃ2 の出力を得ることができる。

【００４４】また、本実施例において、センサに対する
振動等により上，下方向の加速度が加わった場合には、
被検出部３１は上，下方向に変位するが、該被検出部３
１と各下側固定電極２５，２６との有効面積は一定であ
るから、検出される各静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 は変化せず、
センサに対する左，右方向の加速度のみを高精度に検出
することができる。

【００４５】さらに、本実施例のセンサでは、実際には
４本の被検出部３１に対して各下側固定電極２５，２６
および上側固定電極２７を配設する構成とし、各下側固
定電極２５，２６をそれぞれ並列接続して出力するよう
にしているから、各信号Ａ，Ｂ，Ｃによる静電容量Ｃ1
，Ｃ2 の変化量を大きくすることができ、より高精度
の検出を行うことができる。

【００４６】かくして、本実施例による静電容量式加速
度センサでは、各下側固定電極２５，２６内に侵入する
被検出部３１の侵入体積により静電容量を検出するよう
にしたから、加速度に対応したリニアな出力を得ること
ができ、従来技術において必要であった補正回路を廃止
することができ、コスト低減を著しく図ることができ
る。

【００４７】また、センサに対して上，下方向に振動等
による加速度が加わった場合でも、被検出部３１は上，
下方向に移動するものの、各下側固定電極２５，２６お
よび上側固定電極２７との離間距離は変わらないから、
各固定電極２５，２６，２７から検出される各静電容量
Ｃ1 ，Ｃ2 には影響はない。これにより、上，下方向に
加わる加速度が加わった場合でも、左，右方向の加速度
のみを高精度に検出することができる。

【００４８】さらに、本実施例による静電容量式加速度
センサは、基板２１，２２にシリコン材料を用いること
により、シリコンウェハの状態で誘電体２８および被検
出部３１等をエッチング処理等で容易に形成することが
でき、静電容量式加速度センサを一度の製造工程で多数
個製造することが可能となる。そして、製造コストを大
幅に低減することができる。さらに、小型で軽量の静電
容量式加速度センサを製造することができる。

【００４９】次に、第２の実施例を図５ないし図７に示
す。本実施例の特徴は、誘電体を支持枠により支持した
ことにある。なお、前記第１の実施例と同一の構成要素
に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

【００５０】図中、４１，４２は上，下に配設された一
対の正方形状のシリコン基板を示し、該各シリコン基板
４１，４２の下面側，上面側の外周側には、矩形状の酸
化膜４３，４４が形成されている。

【００５１】４５，４５，…、４６，４６，…は基板４
２の上面側に形成された下側固定電極をそれぞれ示し、
該各下側固定電極４５，４６は前後方向に向けて伸長す
るようにＣｒ等により長方形状に形成され、それぞれ交
互に合計８本、順次配設されている。また、該各下側固
定電極４５，４６は点線で示すそれぞれの配線パターン
４５Ａ，４６Ａを介して外部に信号を導出する。

【００５２】４７は基板４１の下面側に形成された上側
固定電極をそれぞれ示し、該上側固定電極４７はほぼ正
方形状に形成されている。また、該上側固定電極４７は
点線で示す配線パターン４７Ａを介して外部に信号を導
出する。

【００５３】４８は各基板４１，４２の間に挟持された
矩形状の支持枠を示し、該支持枠４８は板状に形成さ
れ、中心部には後述する誘電体４９が各支持梁５０を介
して形成されている。

【００５４】４９は誘電体を示し、該誘電体４９は前記
支持枠４８内に位置して正方形状に一体形成され、上，
下に位置した各固定電極４５，４６，４７と等しい距離
で離間し、前，後の各辺から前後方向に伸長する所定の
弾性力を有した支持梁５０，５０により支持されてい
る。なお、各支持梁５０は図５に示す如く、支持枠４８
の厚さ寸法よりも薄い幅寸法に形成され、誘電体４９が
左，右方向に移動し易いようになっている。

【００５５】５１，５１，…は誘電体４９に形成された
複数個の長方形状をなす貫通穴を示し、該各貫通穴５１
により誘電体４９に残った部分が前後方向に伸長する４
本の被検出部５２，５２，５２となる。また、該被検出
部５２は図６に示すように、各固定電極４５，４６，４
７と等しい離間距離Ｈを有すると共に、重なり合う有効
面積も等しくなる。

【００５６】なお、配線パターン４５Ａ，４６Ａ，４７
Ａからそれぞれ検出される信号を信号Ａ，Ｂ，Ｃとす
る。

【００５７】本実施例による静電容量式加速度センサは
上述の如き構成を有するもので、次に、その製造方法に
ついて説明する。

【００５８】まず、下側に位置する基板４２および上側
に位置する基板４１の中心部付近の所定位置にＣｒ等に
より長方形状の下側固定電極４５，４６および正方形状
の上側固定電極４７を形成する。また、各基板４１，４
２の下面側，上面側に犠牲層となるシリコン酸化膜をそ
れぞれ堆積させる。そして、上側に位置する基板４１に
おいては、シリコン酸化膜の中心部をエッチングして除
去することにより、矩形状の酸化膜４３を形成する。

【００５９】一方、下側の基板４２においては、シリコ
ン酸化膜の上にＰＺＴ，Ｔａ₂ Ｏ₅等の材料をＣＶＤ
法，スパッタ法によりパターニングして支持枠４８，各
支持梁５０，誘電体４９等を堆積させる。その後に、誘
電体４９および各支持梁５０の下側にあるシリコン酸化
膜の中心部分をエッチングして除去することにより、基
板４２上に矩形状の酸化膜４４を形成し、誘電体４９を
各下側固定電極４５，４６間に離間距離Ｈを有して支持
する。

【００６０】そして、最後に各基板４１，４２を支持枠
４８を介して接合することにより静電容量式加速度セン
サを形成する。なお、製造はシリコンウェハの状態で形
成するので、一度に多数個のセンサを容易に製造でき
る。

【００６１】このように構成される本実施例の静電容量
式加速度センサにおいても、その検出動作は前述した第
１の実施例と変わるところはない。

【００６２】なお、前記各実施例においては、下側に位
置した基板２２（４２）の上面側に複数個の下側固定電
極２５，２６（４５，４６）を形成したが、本発明はこ
れに限らず、下側固定電極を一枚の固定電極とし、上側
の基板２１（４１）に複数個の固定電極を形成するよう
にしてもよく、上，下の両側の固定電極を複数個の固定
電極により構成するようにしてもよい。

【００６３】また、前記各実施例では、支持梁２９，５
０を誘電体２８，４９の前後方向の位置で支持するよう
にしたが、一方のみの片持支持でもよく、要は誘電体２
８，４９が左，右方向に移動し易い構成であればよい。

【００６４】さらに、図４に示すように、センサに加速
度が加わっていない状態においては、被検出部３１が各
下側固定電極２５，２６に侵入する有効面積を等しくな
るように形成したが、本発明はこれに限らず、図８に示
すように各下側固定電極２５′，２６′を離して形成
し、加速度が加わっていないときには、被検出部３１が
どちらの下側固定電極２５′，２６′内に侵入しないよ
うにして、加速度が加わったときにのみ、有効面積Ｓ1
，Ｓ2 が変化するように構成しても、前記第１の実施
例と同様の効果を得ることができる。

【００６５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、
上，下に配設された一対の基板と、該各基板間に支持梁
を介して設けられた誘電体と、該誘電体の水平方向の移
動を静電容量の変化として検出すべく前記各基板の対向
面にそれぞれ設けられ、少なくとも一方が複数個となる
固定電極とから構成したから、水平方向の加速度の大き
さに対応して誘電体が各固定電極内に移動し、この誘電
体の侵入分により各固定電極から検出される静電容量が
設定される。これにより、加速度に応じた静電容量を検
出することができ、水平方向の加速度をリニアに検出す
ることができる。さらに、上，下方向の加速度において
誘電体が上下に移動した場合でも、上下の電極間の離間
距離は変わらないから、これを検出することなく水平方
向の加速度のみを高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による静電容量式加速度センサを
示す分解斜視図である。

【図２】第１の実施例による静電容量式加速度センサの
縦断面図である。

【図３】図２中の矢示III −III 方向断面図である。

【図４】第１の実施例による静電容量式加速度センサに
よる検出動作を示す説明図である。

【図５】第２の実施例による静電容量式加速度センサを
示す分解斜視図である。

【図６】第２の実施例によるの静電容量式加速度センサ
の縦断面図である。

【図７】図６中の矢示VII −VII 方向断面図である。

【図８】実施例の変形例を示す検出部の部分断面図であ
る。

【図９】第１の従来技術による加速度センサの断面図で
ある。

【図１０】第２の従来技術による加速度センサの斜視図
である。

【符号の説明】

２１，２２，４１，４２シリコン基板２５，２６，４５，４６下側固定電極（固定電極）２７，４７上側固定電極（固定電極）２９，５０支持梁２８，４９誘電体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上，下に配設された一対の基板と、該各
基板間に支持梁を介して設けられた誘電体と、該誘電体
の水平方向の移動を静電容量の変化として検出すべく前
記各基板の対向面にそれぞれ設けられ、少なくとも一方
が複数個となる固定電極とから構成してなる静電容量式
加速度センサ。