JPH1172506A

JPH1172506A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH1172506A
Application number: JP10168703A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kano; 加納　　一彦; Makiko Fujita; 真紀子藤田; Koji Hattori; 孝司服部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】おもり可動電極の自重垂れを少なくするとと
もに、検出感度の調整を容易に行えるようにする。【解決手段】加速度センサ１００は、アンカー部１
１、おもり可動電極１２、梁部１４〜１７、検出用固定
電極１３５〜１３８、感度調整用固定電極１３１〜１３
４から構成されている。この加速度センサ１００におい
て、おもり可動電極１２が加速度により変位して検出用
固定電極１３１〜１３４のいずれかに接触すると、おも
り可動電極１２−検出用固定電極１３１〜１３４間が通
電し、一定以上の加速度が生じていることが検出され
る。また、おもり可動電極１２と感度調整用固定電極１
３１〜１３４の間に所定の電位差を与え、両者の間に静
電引力を発生させて、おもり可動電極１２の自重垂れを
少なくするとともに、検出感度の調整を容易に行えるよ
うにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、加速度センサに関
するものであり、例えばガス等の流量メータに内蔵され
て地震等の振動を感知しガス配管のバルブを閉塞するセ
ンサ、ストーブ等に内蔵され地震等の振動を感知し炎を
断つセンサ、若しくは二次元平面内多方向の加速度を略
同ー感度で検出する加速度センサとして用いることがで
きる。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセンサとして、特開平９
−１４５７４０号公報に示す加速度センサがある。この
加速度センサは、基板上に固定されたアンカー部と、こ
のアンカー部にスパイラルの梁部を介して支持され円周
側面を有するおもり可動電極と、このおもり可動電極の
円周側面と所定間隔を隔てて対向する円周側面を有する
固定電極とを備え、おもり可動電極が加速度によって基
板の表面と平行な方向に変位したときおもり可動電極と
固定電極が接触して、加速度が生じたことを検出するよ
うになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した加速度センサ
において、梁部に支えられたおもり可動電極が自重によ
り垂れ下がってしまうと、おもり可動電極と固定電極の
重なりが非常に小さく若しくはなくなってしまい、セン
サとして成り立たなくなる可能性がある。この場合、後
述する実施形態に示すように、おもり可動電極と固定電
極間に所定の電位差を与えるようにすれば、おもり可動
電極と固定電極間に静電引力を発生させて、自重垂れを
少なくすることができる。

【０００４】しかしながら、単に、おもり可動電極と固
定電極間に静電引力を発生させたのでは、その静電引力
の大きさによって検出感度の調整が難しくなるという問
題がある。例えば、上記した自重垂れを少なくするため
にはある程度の大きさの静電引力を発生させる必要があ
るが、その静電引力が大きすぎると、加速度の発生によ
っておもり可動電極と固定電極間が接触した後に、その
加速度がなくなってもおもり可動電極が固定電極に接触
したままになってしまうという問題が発生する。すなわ
ち、おもり可動電極と固定電極間が接触したときの静電
引力が梁部のバネ力より大きいと、加速度がなくなって
もおもり可動電極が固定電極に接触した状態に維持され
てしまう。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたもので、おもり
可動電極の自重垂れを少なくするとともに検出感度の調
整を容易にすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、各請求項に記載の具体的な手段を採用してい
る。すなわち、請求項１、２に記載の発明においては、
おもり可動電極との間の静電引力によって検出感度を調
整するのに用いられる感度調整用固定電極を設けたこと
を特徴としている。

【０００７】従って、おもり可動電極と感度調整用固定
電極との間に生じる静電引力によりおもり可動電極の自
重垂れを少なくすることができ、感度調整用固定電極に
よってその静電引力を調整することにより、検出感度の
調整を容易に行うことができる。この場合、請求項３に
記載の発明のように、検出用固定電極とおもり可動電極
の間、および感度調整用固定電極とおもり可動電極の間
のそれぞれに、独立して調整可能な電位差を与えように
すれば、上記した感度調整を容易に行うことができる。

【０００８】また、請求項４に記載の発明のように、感
度調整用固定電極とおもり動電極の間の電位差を、おも
り可動電極が検出用固定電極に接触したとき前記した静
電引力がバネ部のバネ力よりも小さくなるように設定す
れば、おもり可動電極への加速度の印加がなくなった後
に、おもり可動電極を元の状態に復帰させることができ
る。

【０００９】また、請求項５に記載の発明のように、検
出用固定電極に、おもり可動電極と接触する突起を有す
るようにすれば、おもり可動電極の可動範囲を設定する
ことができ、これによって検出感度の調整を行うことが
できる。この場合、請求項６に記載の発明のように、お
もり可動電極が検出用固定電極の突起に接触したとき、
その突起によっておもり可動電極と感度固定電極が接触
しないようにすれば、おもり可動電極が検出用固定電極
に接触したときに感度調整用固定電極とおもり可動電極
との間で前記した静電引力を発生させることができる。

【００１０】なお、検出用固定電極の突起の長さは、請
求項７に記載の発明のように、おもり可動電極の可動な
範囲においてバネ部のバネ力から前記した静電引力を引
いた値が単純増加する領域になるように規定することが
でき、また請求項８に記載の発明のように、おもり可動
電極の可動な範囲においてバネ部のバネ力から前記した
静電引力を引いた値がピーク値を超えて０になるまでの
領域になるように規定することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１に、本発明の第１実施形態に係る
加速度センサ１００の平面図、図２に、図１中のＡ−Ａ
断面図を示す。図１に示す加速度センサ１００は、基板
３０、アンカー部１１、おもり可動電極１２、４本の梁
部１４〜１７、固定電極１３で構成されるスイッチ式の
加速度センサを構成している。

【００１２】基板３０は、Ｐ型シリコン基板である。ア
ンカー部１１は、円柱形状で、基板３０上に形成され、
基板３０のほぼ中央に位置し、おもり可動電極１２を基
板３０の表面とほぼ平行に弾性変形可能な４本の梁部１
４〜１７で支持している。おもり可動電極１２は、円筒
形状で、基板３０と所定の間隔を有して平行に設けら
れ、アンカー部１１に弾性変形可能である４本の梁部１
４〜１７で支持され、印加させる加速度により変位す
る。また、おもり可動電極１２は、基板３０と垂直方向
の略円柱状側面（円周側面）、すなわち円筒外周面を導
電性の検出面１８としている。

【００１３】梁部１４〜１７は、バネ部を構成するもの
で、アンカー部１１に４本設置され、おもり可動電極１
２を支持する弾性変形可能な形状に形成されている。本
実施形態では、梁部１４〜１７は、基板３０の表面に対
して、略平行方向に弾性変形可能となるように断面形状
を横の長さに対する縦の長さの比を大きくし、上方から
は円弧の一部となるような形状にしている。

【００１４】固定電極１３は、内側が円柱をくり抜いた
形状で、おもり可動電極１２の外側に所定の間隔を隔て
て基板３０上に形成されている。また、おもり可動電極
１２の検出面１８に対向する円筒形状内周面（円周側
面）は、導電性の被検出面１９となっている。中央のア
ンカー部１１と固定電極１３の下側には、図２に示すよ
うに、それぞれ酸化膜２１、２２があり、基板３０上に
形成されている。

【００１５】そして、図１中には示されていないが、加
速度によりおもり可動電極１２が変位して、おもり可動
電極１２の検出面１８と固定電極１３の被検出面１９が
接触したことを検出する検出回路がある。この検出回路
には、おもり可動電極１２の検出面１８、固定電極１３
の被検出面１９と検出回路との間の導通をワイヤボンデ
ィング等で取っている。なお、本実施形態では、おもり
可動電極１２、梁部１４〜１７、アンカー部１１は、す
べて導通されているので、アンカー部１１から検出回路
へワイヤボンディングを行うようにしても良い。

【００１６】また、本発明でいう略円柱状側面とは、図
１の検出面１８に示されるような、外周部分が略円柱状
になっているものだけでなく、被検出面１９に示される
ような、内周部分が略円柱状になっているものも含むも
のである。そして、おもり可動電極１２と固定電極１３
の所定間隔は、ｎ箇所の間隔における各方向（ｉ＝１〜
ｎ）に沿った梁部を総合した弾性係数ｋｉと、おもり可
動電極１２と固定電極１３との距離Ｄｉとの関係が、数
式１となるように配置される。

【００１７】

【数１】Ｄ１×ｋ１＝Ｄ２×ｋ２＝・・・＝Ｄｉ×ｋｉ
＝・・・＝Ｄｎ×ｋｎこのように配置することにより、基板３０と平行な平面
内であれば、どの方向（ｉ＝１〜ｎ）に沿って加速度が
発生しても加速度を等方的に検出できる。例えば、図１
を用いて説明すると、所定の間隔をＤ１（図中Ｘ方
向）、Ｄ２（図中Ｙ方向）、Ｄ３（図中斜め４５度方
向）とし、４本の梁部１４〜１７を総合した各間隔方向
の弾性係数をｋ１、ｋ２、ｋ３とすると、基板３０に対
し平行方向の平面において、等方的に加速度Ｆを検出す
るためには、それぞれの間隔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、Ｄ１
＝Ｆ／ｋ１、Ｄ２＝Ｆ／ｋ２、Ｄ３＝Ｆ／ｋ３のように
なる。

【００１８】そして、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を、数式１を満
足するように設定すると、ｋ１＝ｋ２＝ｋ３となる。本
実施形態では、数式１を満たすように設計して、おもり
可動電極１２を円筒形状とし、固定電極１３については
円柱をくり抜いた形状とする。そして、加速度センサ１
００を、上下及び左右対称となる形状とする。また、こ
こでは図示していないが、アンカー部１１、４本の梁部
１４〜１７、おもり可動電極１２、固定電極１３の表面
にはイオン注入や、リンのデポジションのような手法に
より不純物を導入、または導電性の材料を蒸着やメッキ
またはその他成膜して構造体表面の抵抗率を下げても良
い。

【００１９】次に、加速度センサ１００の製造工程を図
３、図４を用いて説明する。まず、図３に示すように、
基板３０に酸化膜２０を成膜し、その上にシリコン膜１
０を成膜し形成する。なお、基板３０としては、ＳＯＩ
（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用
いても良い。次に、図４に示すようにシリコン膜１０を
エッチングして、アンカー部１１、梁部１４〜１７（図
４中では梁部１４、１６を示す）、おもり可動電極１
２、固定電極１３を所定の形状に形成する。

【００２０】この後、おもり可動電極１２、梁部１４〜
１７直下の酸化膜２０を犠牲層としてフッ化水素系液体
によりエッチングすることで可動部を可動状態にし、図
１、図２に示す加速度センサ１００を得る。次に、図
５、図６を用いてスイッチ式加速度センサ１００の動作
を説明する。なお、図５では、アンカー部１１とおもり
可動電極１２を接続する梁部１４〜１７は省略してあ
る。

【００２１】この加速度センサ１００に加速度が加わっ
ていない場合、おもり可動電極１２は固定電極１３と所
定の間隔を隔てて静止している。また、検出回路（図６
に示す検出回路２０）の端子１、端子２が、それぞれア
ンカー部１１、中心部の固定電極１３にワイヤーボンデ
ィングにより結線されている。なお、図６に示すよう
に、検出回路２０を介して、端子１・端子２間には、電
位差Ｖ₀が与えられている。

【００２２】図５において、この加速度センサ１００に
加速度が加わり、おもり可動電極１２がＸ軸の方向に変
位したとき、おもり可動電極１２と固定電極１３の間隔
が小さくなり、ある加速度以上であると、おもり可動電
極１２の検出面１８と固定電極１１の被検出面１９がＸ
軸上で接触する。このとき、図６に示すように、おもり
可動電極１２と固定電極１３の間に電位差Ｖ₀が設定し
てあるので、電流が流れ、検出回路２０で接触を検出す
ることができる。

【００２３】この加速度センサ１００は、ある一定以上
の加速度が加わった場合にのみ、おもり可動電極１２−
固定電極１３間が通電されて、センサとして動作をす
る。すなわち、おもり可動電極１２−固定電極１３間
は、ある一定の面内方向加速度が加わった場合に接触す
る間隔を設定している。よって、おもり可動電極１２の
検出面１８の形状と固定電極１３の被検出面１９の形状
とが円筒状であり、梁部１４〜１７により形成されるバ
ネが面内方向に対して等方的なバネ定数を持っているの
で、基板３０の表面と平行な面内において、均一に加速
度を検出することができる。この場合、おもり可動電極
１２の検出面１８と固定電極１３の被検出面１９とが接
触したことを検出する検出回路２０を１つ用いれば、被
検出加速度の検出が可能である。

【００２４】また、おもり可動電極１２が環状部材から
なるため、環状内側及び環状外側を有効に使うことがで
き、また環状内側にアンカー部１１を配設するため、ア
ンカー部１１を配設するために特別な領域を用意する必
要がなく、加速度センサの面積を減少させることができ
る。また、アンカー部１１、梁部１４〜１７、おもり可
動電極１２及び固定電極１３が同一半導体材料で一体に
構成されているため、半導体プロセス上同一の工程で形
成することができ、更にこれらを特別に組み付けること
を不要にできるため、安価に製作することができる。

【００２５】さらに、加速度が印加されていない時に、
検出面１８と被検出面１９との距離が略均一に保たれて
いるため、加速度が基板３０の表面と略平行の方向の何
れの方向から印加されても、その加速度の大きさに対し
てほぼ同じだけ、検出面１８と被検出面１９の距離を近
づけさせることができる。これにより等方的に加速度を
検出することができる。

【００２６】上記した加速度センサ１００において、地
震等の振動を感知する場合、作動しなければならない地
震の大きさは、加速度に変換すると０．２Ｇ程度とな
り、質量部に対する梁のバネ定数が非常に小さくなる。
このような加速度センサを製作すると、図７に示すよう
に、センサエレメントの自重でかなり垂れが発生し、マ
ス部（おもり可動電極）１２と固定電極１３の重なりが
非常に小さく若しくはなくなってしまい、センサとして
成立しなくなる可能性がある。また、このようなセンサ
を形成した場合、加工ばらつきにより感度が大きく変わ
ってしまう可能性がある。

【００２７】そこで、本実施形態では、おもり可動電極
１２と固定電極１３間に電位差Ｖ₀を設定し、おもり可
動電極１２と固定電極１３間に静電引力を発生させて、
自重垂れを小さくするようにしている。以下、この点に
ついて説明する。おもり可動電極１２と固定電極１３間
の静電容量Ｃは、数式２で示される。

【００２８】

【数２】Ｃ＝２πε₀ｈ／ｃｏｓｈ^-1（（ｒ₁ ²＋ｒ₂
²−ｄ²）／２ｒ₁ｒ₂）ここで、ｒ₁、ｒ₂は固定電極１３、おもり可動電極１
２の半径、ｄはおもり可動電極１２の中心点の変位量、
ｈはおもり可動電極１２の厚さを示す（ｒ₁、ｒ₂、ｄ
については図５参照）。この場合、例えば、ｒ₁＝２０
０μｍ、ｒ₂＝２２０μｍ、ｈ＝１０μｍとすると、静
電容量Ｃは、おもり可動電極１２の変位ｄに対し、図８
のように変化し、ｄ＝０μｍのときＣ＝０．００６ｐＦ
となる。この図８より、おもり可動電極１２が固定電極
１３に近づくに従って静電容量が増加していくことがわ
かる。

【００２９】ここで、おもり可動電極１２と固定電極１
３の間には、電位差Ｖ₀が与えられているため、おもり
可動電極１２と固定電極１３間に静電引力Ｆｅが働く。
静電気力Ｆｅは、数式３で表される。

【００３０】

【数３】Ｆｅ＝∂／∂ｄ（１／２ＣＶ₀ ²）ここで、電位差Ｖ₀を５Ｖとすると、静電引力Ｆｅは、
おもり可動電極１２の変位ｄに対し図９のように変化す
る。なお、図１０に、変位ｄが小さい領域を拡大した図
を示す。図９、図１０から、変位ｄが０のときには、静
電引力Ｆｅが可動部に働かないことがわかる。

【００３１】このことを図１１に示すモデルを用いて説
明する。固定端にバネ定数ｋのバネ（梁部１４〜１７）
の一方が支持され、他端には質量ｍのおもり可動電極１
２が接続されている。おもり可動電極１２からある距離
を保って固定電極１３が形成されている。また、固定電
極１３とバネの間には電位差Ｖ₀が外部から与えられて
いる。

【００３２】この系ではおもり可動電極１２に加速度
（絶対値）ａが加わったとき、おもり可動電極１２に加
わる力Ｆは、バネの復元力による力によるＦｋと静電気
力による力Ｆｅの釣り合いで決まる。変位ｄが小さい
時、静電気力Ｆｅはその変位ｄに比例すると仮定する
と、ｍａ＝Ｆｋ−Ｆｅ＝ｋｄ−ｂｄ＝（ｋ−ｂ）ｄの関
係が成立する。なお、ｋはバネのバネ定数、ｂは比例定
数である。従って、おもり可動電極１２が加速度を受け
偏心した場合、図のような静電引力が働き、見かけ上バ
ネ定数がｂだけ小さくなる。

【００３３】この効果を利用することにより、大きなバ
ネ定数を設定して自重たれを小さくし、かつ水平方向の
バネ定数を電圧Ｖ₀の印加により見かけ上小さくして、
大きな感度を得るようにすることができる。なお、上記
した実施形態においては、図３、図４に示す工程を用い
て製造するものを示したが、低抵抗率の貼り合わせ層を
有するＳＯＩ基板を用いて加速度センサ１００を製造す
ることもできる。この場合の製造工程を図１２〜図１９
に示す。

【００３４】まず、図１２に示すように、第１の半導体
基板４０としての単結晶シリコン基板を用意する。そし
て、シリコン基板４０にトレンチエッチングによりアラ
イメント用の溝４０ａを形成する。その後、溝４０ａを
含むシリコン基板４０の上に犠牲層用薄膜としてのシリ
コン酸化膜４１をＣＶＤ法等により成膜する。さらに、
シリコン酸化膜４１に対しフォトリソグラフィを経て一
部エッチングして凹部４１ａを形成する。これは、後述
する犠牲層エッチング工程において梁構造体がリリース
された後に表面張力等で基板に付着するのを防ぐべく付
着面積を減らす突起を形成するために形成する。

【００３５】次に、図１３に示すように、犠牲層エッチ
ング時のエッチングストッパとなるシリコン窒化膜４２
を成膜する。そして、シリコン窒化膜４２とシリコン酸
化膜４１との積層体に対しフォトリソグラフィを経てド
ライエッチング等によりアンカー部形成領域に開口部を
形成する。この開口部は、梁構造体と基板（下部電極）
とを接続するため、および固定電極（及び電極取出部）
と配線パターンとを接続するためのものである。引き続
き、開口部を含むシリコン窒化膜の上にポリシリコン薄
膜４３を成膜する。このポリシリコン薄膜４３はアンカ
ー（固定部）兼配線となるため、成膜中または成膜後に
不純物を導入する。さらに、フォトリソグラフィを経て
配線パターンと下部電極とアンカー部を形成する。この
ように、開口部を含むシリコン窒化膜４２上の所定領域
に導電性薄膜としての不純物ドープトポリシリコン薄膜
４３を形成する。ポリシリコン薄膜４３の膜厚は０．５
〜２μｍ程度である。

【００３６】次に、図１４に示すように、ポリシリコン
薄膜４３上にシリコン窒化膜４４を形成し、さらにシリ
コン窒化膜４４の上にシリコン酸化膜４５を成膜する。
この後、図１５に示すように、シリコン酸化膜４５の上
に貼合用薄膜としてのポリシリコン薄膜４６を成膜し、
貼り合わせのためにポリシリコン薄膜４６の表面を機械
的研磨等により平坦化する。

【００３７】次に、図１６に示すように、シリコン基板
４０とは別の単結晶シリコン基板（支持基板）４７を用
意し、ポリシリコン薄膜４６の表面と第２の半導体基板
としてのシリコン基板４７とを貼り合わせる。この後、
シリコン基板４０、４７を表裏逆にして、シリコン基板
４０側を機械的研磨等を行い薄膜化する。つまり、シリ
コン基板４０を所望の厚さまで研磨する。この際、図１
２に示したように、トレンチエッチングにより形成した
溝４０ａ深さまで研磨を行うと、シリコン酸化膜４１の
層が出現するため、研磨における硬度が変化し、研磨の
終点を容易に検出することができる。

【００３８】この後、図１７に示すように、アルミ電極
４８ａ、４８ｂを成膜し、そのパターニングを行う。そ
して、図１８に示すように、構造体（アンカー部１１、
おもり可動電極１２、固定電極１３、梁部１４〜１７）
のパターンのフォトリソグラフィを経て、構造体の形成
を行う。構造体のエッチングはフォトレジストのような
ソフトマスクでも、酸化膜のような、ハードマスクでも
良い。

【００３９】最後に、図１９に示すように、ＨＦ系のエ
ッチング液によりシリコン酸化膜４１をエッチング除去
し、おもり可動電極１２を有する梁構造体を可動とす
る。つまり、エッチング液を用いた犠牲層エッチングに
より所定領域のシリコン酸化膜４１を除去してシリコン
基板４０を可動構造とする。この際、エッチング後の乾
燥の過程で可動部が基板に固着するのを防止するため、
バラジクロルベンゼン等の昇華剤を用いる。

【００４０】この犠牲層エッチングにおいて、アンカー
部１１においてポリシリコン薄膜４３を用いているた
め、アンカー部１１においてエッチングが停止し、バラ
ツキがなくなる。すなわち、犠牲層用薄膜としてシリコ
ン酸化膜４１を用い、アンカー部１１にポリシリコン薄
膜４３を用いているから、ＨＦ系エッチング液を用いた
場合には、シリコン酸化膜４１はＨＦにて溶けるがポリ
シリコン薄膜４３は溶けないので、ＨＦ系エッチング液
の濃度や温度を正確に管理したりエッチングの終了を正
確なる時間管理にて行う必要はなく、製造が容易とな
る。

【００４１】このようにしてアンカー部１１を形成する
ことができるから、梁構造体をリリースする際の犠牲層
エッチング工程で時間制御による終点制御を行う必要が
なくバネ定数等の制御を容易にすることが可能となる。
この図１２〜図１９に示す工程によって製造された加速
度センサ１００においては、おもり可動電極１２、梁部
１４〜１７の下部にアンカー部１１に接続されたポリシ
リコン薄膜４３により下部電極４９を形成することがで
きるため、おもり可動電極１２、梁部１４〜１７と下部
電極４９とを例えば同電位に設定することにより、おも
り可動電極１２と基板３０間の静電気力によるおもり可
動電極１２−基板３０間の付着を回避することができ
る。

【００４２】また、図１のような断面構造をもったセン
サエレメントではおもり可動電極１２の電位を取る場
合、その中心部、すなわちアンカー部１１にワイヤボン
ディング等により外部に取り出さなくてはならないが、
下部電極４９を形成することにより中心部から、下部電
極４９を通してエレメントの縁までもってきて、エレメ
ント表面に取り出すことができる。通常、ワイヤボンデ
ィングをする場合、φ２００μｍ程度必要であるが、こ
のような構成にすることにより、中心部の面積を十数μ
ｍから数十μｍ程度に小さくすることができるため、セ
ンサエレメントを小さくすることができる。

【００４３】なお、上記した実施形態においては、半導
体基板上に構造体を形成するものを示したが、ガラス基
板上に構造体を形成して加速度センサ１００を製造する
ようにしてもよい。この場合の製造工程を図２０〜図２
３に示す。まず、図２０に示すように、パイレックスガ
ラス基板２３０（パイレックスは商品名）と低抵抗のシ
リコン基板２１０を陽極接合で接合する。このとき、必
要に応じてシリコン基板２１０の表面を研磨又はエッチ
ングで薄膜化を行ってもよい。

【００４４】次に、図２１に示すようにシリコン基板２
１０をエッチングにて、アンカー部２１１、梁部２１
４、２１６、おもり可動電極２１２、固定電極２１３を
所定の形状に形成する。最後に、図２２に示すようにお
もり可動電極２１２、梁部２１４、２１６直下のパイレ
ックスガラス基板２３０をフッ化水素系液体によりエッ
チングすることで可動部を可動状態にする。なお、ここ
ではパイレックスガラス基板で説明したがパイレックス
に限定されるものではなく、シリコンと陽極接合が可能
でフッ化水素系液体でエッチングが可能なガラスであれ
ばいずれでもよい。（第２実施形態）上記した第１実施形態によれば、図５
に示すように、おもり可動電極１２が基板３０表面に平
行な面内において、おもり可動電極１２が何れの方向に
変位しても、おもり可動電極１２と固定電極１３の接触
を検出できる。

【００４５】ここで、おもり可動電極１２と固定電極１
３との接触を好適に行うために、次のような構成を採る
のが好ましい。すなわち、図２３に示すように固定電極
１３側のおもり可動電極の方向に突起３０１から３０８
を設ける構成である。これにより、おもり可動電極１２
が加速度を受け変位し固定電極１３に接触したときの接
触圧力を高めることができる。

【００４６】図２３では、固定電極１３に対して傾きを
もたせた突起形状を示したが、図２４に示す突起３０
９、図２５に示す突起３１０、図２６に示す突起３１１
のように固定電極１３に対しＩ型、Ｔ型、又はひし形で
あってもよい。ここでは、突起を固定電極１３側に形成
した実施形態を示したが突起をおもり可動電極１２側、
さらには固定電極１３とおもり可動電極１２の両側に形
成してもよい。

【００４７】ここで、図２７に示すようにおもり可動電
極１２の固定電極１３側の面および固定電極１３のおも
り可動電極１２側の面に金属、好ましくはＡｕ、Ｐｔ等
の貴金属３１２を形成することにより、おもり可動電極
１２と固定電極１３との接触抵抗を低減することができ
る。この表面処理は、図２８から図３０に示す突起形状
についても同様である。

【００４８】また、突起がおもり可動電極１２側、また
おもり可動電極１２と固定電極１３の両方に形成されて
も同様である。なお、この第２実施形態においても、第
１実施形態と同様、おもり可動電極１２と固定電極１３
の間に所定の電位差を与えて加速度検出を行うように構
成されている。（第３実施形態）次に、第１実施形態における梁部の設
ける位置を変更した第３実施形態を以下に説明する。図
３１に、本発明の第３実施形態を示す加速度センサの平
面図、図３２に、図３１中のＢ−Ｂ断面図を示す。

【００４９】図３１における加速度センサは、加速度に
より変位する円筒形状のおもり可動電極５２、円柱形状
で、基板３０の中央に位置する固定電極５１、おもり可
動電極５２を外側から支持するアンカー部５３、４本の
梁部５４〜５７から構成されている。また、おもり可動
電極５２の円筒内周面は導電性の検出面５８、固定電極
５１の円柱外周面は導電性の被検出面５９となってい
る。

【００５０】図１では、おもり可動電極１２が構造体の
中心に位置するアンカー部１１より支持され、固定電極
１３がおもり可動電極１２の外側に位置しているが、図
３１では、おもり可動電極５２は、おもり可動電極５２
の外側に所定の間隔をもって位置するアンカー部５３
に、梁部５４〜５７により基板３０から上方に所定の間
隔を隔てて支持されている。また、おもり可動電極５２
の内側には、所定の間隔を隔てて円筒状の固定電極５１
が配置されている。中央の固定電極５１とアンカー部５
３の下側にはそれぞれ酸化膜２１、２２があり、基板３
０に接続されている。

【００５１】また、ここでは図示していないが、アンカ
ー部５１、４本の梁部５４〜５７、おもり可動電極５
２、固定電極５３の表面にはイオン注入や、リンのデポ
ジションのような手法により不純物を導入、または導電
性の材料を蒸着やメッキまたはその他成膜して構造体の
抵抗率を下げても良い。このように、固定電極５１の位
置を円筒型おもり可動電極５２の外側から内側に変更す
れば、第１実施形態と同じ断面形状の梁部で、より感度
の良い加速度センサを作ることができる。

【００５２】また、上記した第１実施形態の効果に加
え、環状内側に固定電極５１を配設するため、固定電極
５１を配設するために特別な領域を用意する必要がなく
加速度センサの面積を減少させることができるという効
果が得られる。なお、この第３実施形態においても、第
１実施形態と同様、おもり可動電極１２と固定電極１３
の間に所定の電位差を与えて加速度検出を行うように構
成されている。（第４実施形態）図３３に、本発明の第４実施形態に係
る加速度センサの平面図、図３４に、図３３中のＣ−Ｃ
断面図を示す。

【００５３】この第４実施形態においては、図１に示す
第１実施形態に対し、固定電極１３の被検出面１９に、
感度調整用（接点用）の突起１３ａ〜１３ｄが形成され
ている点が異なる。これらの突起１３ａ〜１３ｄは、固
定電極１３と同一材料で形成されている。このような突
起１３ａ〜１３ｄを設けることにより、おもり可動電極
１２と固定電極１３の距離を調整し、おもり可動電極１
２が固定電極１３側に変位したときの静電気力を加味す
ることにより、このセンサの感度調整を行うことができ
る。

【００５４】なお、図３３では、固定電極１３に突起を
４つ形成しているが、突起の個数はそれ以外でもよい。
この場合、突起の個数により検出の精度が異なるが、セ
ンサとしての動作を確実にするためには、おもり可動電
極１２が突起以外の固定電極１３と接触しないような個
数に設定するのが好ましい。また、突起は、固定電極１
３側でなく、おもり可動電極１２側に形成することもで
きる。すなわち、図３５、図３６に示すように、おもり
可動電極１２の検出面１８に接点用の突起１２ａ〜１２
ｄを形成する。なお、図３５は、加速度センサの平面
図、図３６は、図３５中のＤ−Ｄ断面図である。

【００５５】さらに、図３１に示す第３実施形態に対し
ても、同様に感度調整用の突起を設けるようにすること
ができる。すなわち、図３７、図３８に示すように、固
定電極５１の被検出面５９に接点用の突起５１ａ〜５１
ｄを形成する。なお、図３７は、加速度センサの平面
図、図３８は、図３７中のＥ−Ｅ断面図である。また、
図３７に示す構成に対し、おもり可動電極４２側に突起
を形成することもできる。すなわち、図３９、図４０に
示すように、おもり可動電極５２の検出面５８に接点用
の突起５２ａ〜５２ｄを形成する。なお、図３９は、加
速度センサの平面図、図４０は、図３９中のＦ−Ｆ断面
図である。（第５実施形態）図４１に、本発明の第５実施形態に係
る加速度センサの平面図、図４２に、図４１中のＧ−Ｇ
断面図を示す。

【００５６】この第５実施形態においては、図１に示す
第１実施形態に対し、固定電極１３を、感度調整用固定
電極１３１〜１３４と固定電極１３５〜１３８にて分割
した電極構成としている。感度調整用固定電極１３１〜
１３４と固定電極１３５〜１３８の間には、絶縁分離膜
（もしくは間隙等の絶縁分離手段）１３９〜１４６が形
成されている。

【００５７】また、固定電極１３５〜１３８には、接点
用の突起１３５ａ〜１３８ａが形成されており、これら
の突起は固定電極１３５〜１３８と同一材料で形成され
ている。ここで、おもり可動電極１２には、アンカー部
１１、梁部１４〜１７を介して電圧が印加されるため、
おもり可動電極１２と固定電極１３５〜１３８間には、
図４３に示すように、電圧Ｖ₀が印加される。また、お
もり可動電極１２と感度調整用固定電極１３１〜１３４
との間には、電圧Ｖ_Rが印加される。

【００５８】この場合、固定電極１３５〜１３８に形成
された突起１３５ａ〜１３８ａにより感度調整を行うと
ともに、図に示す電圧Ｖ₀、Ｖ_Rの電源手段により電圧
Ｖ₀、Ｖ_Rを独立に調整することで、センサ製造後の感
度調整を行うことができる。なお、感度調整用固定電極
１３１〜１３４とおもり可動電極１２の間の電位差Ｖ_R
は、おもり可動電極１２が固定電極１３５〜１３８に接
触したとき、感度調整用固定電極１３１〜１３４とおも
り可動電極１２の間に生じる静電引力が、梁部１４〜１
７のバネ力よりも小さくなるように設定されている。

【００５９】このことにより、加速度の発生によってお
もり可動電極１２と固定電極１３５〜１３８が接触し、
その後、その加速度がなくなると、梁部１４〜１７のバ
ネ力によっておもり可動電極１２を元の状態に戻すこと
ができる。以下、この点について詳述する。感度調整用
電極１３１〜１３４とおもり可動電極１２との間に働く
静電引力は、数式１〜３に示される関係になり、感度調
整用電極１３１〜１３４とおもり可動電極１２との間の
距離および電位差が影響する。この場合、静電引力は、
図９、図１０に示すように、おもり可動電極１２の変位
ｄが大きい、すなわちおもり可動電極１２と感度調整用
電極１３１〜１３４との距離が縮まるほど増大する。

【００６０】図４４に、おもり可動電極１２の変位ｄに
対する、バネ力Ｆｋと静電引力Ｆｅとの関係を示す。静
電引力Ｆｅは、図に示すように、変位ｄが大きくなると
バネ力Ｆｋを上回るほど大きくなる。ここで、バネ力Ｆ
ｋから静電引力Ｆｅを引いた値（Ｆｋ−Ｆｅ）は、変位
ｄが０〜ａまで徐々に増加してａ点でピークとなり、変
位ｄがａ〜ｂの間では静電引力Ｆｅの急激な増大によっ
て（Ｆｋ−Ｆｅ）は急激に小さくなり、さらにｂ点を超
えると負の値になる。つまり、変位ｄがｂ点を超えると
静電引力Ｆｅの方がバネ力Ｆｋを上回ってしまい、おも
り可動電極１２が固定電極側に貼り付いたままとなり、
地震等の振動により受けた加速度がなくなっても可動電
極１２は固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａのいずれか
から離れることができなくなってしまう。

【００６１】従って、おもり可動電極１２の変位量は、
図４４で示すような静電引力Ｆｅがバネ力を上回らない
領域に設定する必要がある。つまり、おもり可動電極１
２が固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａのいずれかに接
して感度調整用電極１３１〜１３４に最も近づいた場合
でも静電引力Ｆｋがバネ力Ｆｅを上回らないように、固
定電極の突起１３５ａ〜１３８ａの突出長さ、および感
度調整用固定電極１３１〜１３４とおもり可動電極１２
の間の電位差Ｖ_Rを設定する。

【００６２】なお、図４４において変位ｄが０〜ａの領
域では（Ｆｋ−Ｆｅ）は単純に増加するため、おもり可
動電極１２の変位量がａよりも小さく設定される場合に
は、所定の加速度を受けておもり可動電極１２が固定電
極の突起１３５ａ〜１３８ａのいずれかに接触すると、
おもり可動電極１２への印加加速度がその所定の加速度
の大きさよりも小さくなった時点でおもり可動電極１２
は固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａから離れる。

【００６３】また、変位ｄがａ〜ｂの領域においては
（Ｆｋ−Ｆｅ）がａ点でピーク値となり、ａよりも大き
くなると（Ｆｋ−Ｆｅ）が小さくなるため、おもり可動
電極１２が固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａのいずれ
かに接触するための加速度とおもり可動電極１２が固定
電極の突起１３５ａ〜１３８ａから離れる加速度の大き
さは異なる。つまり、ある加速度にておもり可動電極１
２が固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａのいずれかに接
触した場合にはその加速度よりもある値だけ加速度が小
さくなるまでおもり可動電極１２は固定電極の突起１３
５ａ〜１３８ａから離れることができない。従って、お
もり可動電極１２の変位量を領域ａ〜ｂの間に設定する
ことで、おもり可動電極１２が固定電極の突起１３５ａ
〜１３８ａのいずれかに接触している時間を、変位ｄを
０〜ａの領域に設定した場合に比べて長くすることがで
き、より確実に加速度検出を行うことができる。

【００６４】そして、おもり可動電極１２の変位量、す
なわちおもり可動電極１２の可動範囲を０〜ａの領域に
するかａ〜ｂの領域にするかは、固定電極の突起１３５
ａ〜１３８ａの長さによって規定することができる。な
お、固定電極の突起１３５ａ〜１３８ａは、図２４〜図
２８に示されるような形状でも良い。

【００６５】上記した実施形態においては、２つの電源
手段により電圧Ｖ₀、Ｖ_Rを設定するものを示したが、
図４５に示すように、外部電源Ｖ₁を抵抗Ｒ１、Ｒ２で
分圧した電圧をおもり可動電極１２と固定電極１３５〜
１３８間に印加するようにしてもよい。このような構成
にすることにより、電源を１つにすることができる。な
お、おもり可動電極１２と感度調整用固定電極１３１〜
１３４間の電圧の方を低くする場合には、図４６に示す
ように、抵抗Ｒ３、Ｒ４により分圧した電圧を、おもり
可動電極１２と感度調整用固定電極１３１〜１３４間に
印加するようにすればよい。

【００６６】なお、図４３に示すものでは、感度調整用
固定電極と固定電極をそれぞれ４つに分割するものを示
したが、その分割数はそれ以外でもよい。また、図３１
に示す第３実施形態に対しても、その固定電極を、感度
調整用固定電極と固定電極にて分割した電極構成とする
ことができる。すなわち、固定電極５１を、図４７、図
４８に示すように、感度調整用固定電極１５１〜１５
４、固定電極１５５、１５６にて分割した電極構成と
し、それらの間を、絶縁分離膜１５７〜１６０にて絶縁
分離している。また、固定電極１５５、１５６は、感度
調整用固定電極１５１〜１５４から突出した構造となっ
ており、その突起部分にて、上述した接点用の突起と同
様、感度調整を行うことができるようになっている。な
お、図４７は、加速度センサの平面図、図４８は、図４
７中のＨ−Ｈ断面図である。この場合、おもり可動電極
１２と感度調整用固定電極１５１〜１５４の間、おもり
可動電極１２と固定電極１５５、１５６の間には、図４
３、図４５、図４６のいずれかの構成を用いて、それぞ
れ独立した電圧を印加することができる。

【００６７】なお、上述した第２〜第５実施形態におい
ても、図１２〜図１９に示す工程により製造された構成
とすることができる。この場合、下部電極４９を用いる
ことにより、それぞれの電位取り出しを容易に行うこと
ができる。但し、上記した第５実施形態においては、感
度調整用固定電極１３１〜１３４と固定電極１３５〜１
３８とを絶縁分離手段１３９〜１４６にて分離している
ため、その製造方法は他の実施形態と若干異なる。この
場合、その製造方法は、感度調整用固定電極１３１〜１
３４と固定電極１３５〜１３８との間に絶縁分離膜を形
成する場合と、隙間を形成するのみの場合とで若干異な
る。

【００６８】前者の場合、まず、図１２に示すアライメ
ント用の溝４０ａを形成する際に同時に感度調整用固定
電極１３１〜１３４と固定電極１３５〜１３８とを分離
する溝を形成するようにする。つまり、ドライエッチン
グによるトレンチエッチングを施す。その後、シリコン
酸化膜４１を形成する際に同時に感度調整用固定電極１
３１〜１３４と固定電極１３５〜１３８との間に形成さ
れた溝をシリコン酸化膜で埋め込み、絶縁分離手段１３
９〜１４６を形成する。

【００６９】なお、この場合、図１９に示すシリコン酸
化膜４１をエッチング除去する際に感度調整用固定電極
１３１〜１３４と固定電極１３５〜１３８との間に形成
したシリコン酸化膜である絶縁分離手段１３９〜１４６
が除去されないようにマスク等保護する必要がある。後
者の場合には、図１８、図１９に示すように、アンカー
部１１、おもり可動電極１２、梁部１３を形成するのと
同時に感度調整用固定電極１３１〜１３４と固定電極１
３５〜１３８との分離を行えばよい。これもドライエッ
チングにて実施可能である。あるいは他の方法として前
者の方法にて感度調整用固定電極１３１〜１３４と固定
電極１３５〜１３８との間に形成したシリコン酸化膜
を、図１９に示すシリコン酸化膜４１をエッチング除去
する際に同時にエッチング除去するようにしても感度調
整用固定電極１３１〜１３４と固定電極１３５〜１３８
との間に隙間を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る加速度センサの平
面図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１に示す加速度センサの製造工程を示す工程
図である。

【図４】図３に続く製造工程を示す工程図である。

【図５】図１に示す加速度センサの動作説明に供する説
明図である。

【図６】図１に示す加速度センサにより加速度検出を行
う構成を示す図である。

【図７】図１に示す加速度センサにおいて、バネ定数が
小さい場合の問題点を説明するための図である。

【図８】図１に示す加速度センサにおいて、おもり可動
電極の変位に対する静電容量の関係を示す特性図であ
る。

【図９】図１に示す加速度センサにおいて、おもり可動
電極と固定電極間に５Ｖの電圧を印加したときの、おも
り可動電極の変位に対する静電容量の関係を示す特性図
である。

【図１０】図９に示す特性図において変位が小さい領域
を拡大した図である。

【図１１】おもり可動電極に加わる力とバネの復元力に
よる力と静電気力による力の関係を説明するためのモデ
ル図である。

【図１２】図１に示す加速度センサの他の製造方法を示
す工程図である。

【図１３】図１２に続く工程図である。

【図１４】図１３に続く工程図である。

【図１５】図１４に続く工程図である。

【図１６】図１５に続く工程図である。

【図１７】図１６に続く工程図である。

【図１８】図１７に続く工程図である。

【図１９】図１８に続く工程図である。

【図２０】図１に示す加速度センサのさらに他の製造方
法を示す工程図である。

【図２１】図２０に続く工程図である。

【図２２】図２１に続く工程図である。

【図２３】本発明の第２実施形態に係る加速度センサの
平面図である。

【図２４】図２３に示す加速度センサの変形例を示す部
分構成図である。

【図２５】図２３に示す加速度センサの他の変形例を示
す部分構成図である。

【図２６】図２３に示す加速度センサのさらに他の変形
例を示す部分構成図である。

【図２７】図２３に示す加速度センサのさらに他の変形
例を示す部分構成図である。

【図２８】図２３に示す加速度センサのさらに他の変形
例を示す部分構成図である。

【図２９】図２３に示す加速度センサのさらに他の変形
例を示す部分構成図である。

【図３０】図２３に示す加速度センサのさらに他の変形
例を示す部分構成図である。

【図３１】本発明の第３実施形態に係る加速度センサの
平面図である。

【図３２】図３１中のＢ−Ｂ断面図である。

【図３３】本発明の第４実施形態に係る加速度センサの
平面図である。

【図３４】図３３中のＣ−Ｃ断面図である。

【図３５】本発明の第４実施形態に係る加速度センサの
変形例を示す平面図である。

【図３６】図３５中のＤ−Ｄ断面図である。

【図３７】本発明の第４実施形態に係る加速度センサの
他の変形例を示す平面図である。

【図３８】図３７中のＥ−Ｅ断面図である。

【図３９】本発明の第４実施形態に係る加速度センサの
さらに他の変形例を示す平面図である。

【図４０】図３９中のＦ−Ｆ断面図である。

【図４１】本発明の第５実施形態に係る加速度センサの
平面図である。

【図４２】図４１中のＧ−Ｇ断面図である。

【図４３】図４１に示す加速度センサにより加速度検出
を行う構成を示す図である。

【図４４】おもり可動電極１２の変位ｄに対する、バネ
力Ｆｋと静電引力Ｆｅとの関係を示す図である。

【図４５】図４１に示す加速度センサにより加速度検出
を行う他の構成を示す図である。

【図４６】図４１に示す加速度センサにより加速度検出
を行うさらに他の構成を示す図である。

【図４７】本発明の第５実施形態に係る加速度センサの
変形例を示す平面図である。

【図４８】図４７中のＨ−Ｈ断面図である。

【符号の説明】

１１、５１…アンカー部、１２、５２…おもり可動電
極、１３、５３…固定電極、１４〜１７、５４〜５７…
梁部、３０…基板、１００…加速度センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（３０）と、前記基板上に固定されたアンカー部（１１、５３）と、おもり可動電極（１２、５２）と、一端が前記アンカー部に固定され、他端が前記おもり可
動電極に固定されており、前記基板の表面と平行な方向
に加速度が生じたとき、弾性変形して、前記おもり可動
電極を前記基板の表面と平行な方向に変位させるバネ部
（１４〜１７、５４〜５７）と、前記基板上に固定され、前記おもり可動電極が前記加速
度によって前記平行な方向に変位したとき前記おもり可
動電極と接触する検出用固定電極（１３５〜１３８、１
５５、１５６）と、前記基板上に固定され、前記おもり可動電極との間の静
電引力によって検出感度を調整するのに用いられる感度
調整用固定電極（１３１〜１３４、１５１〜１５４）と
を備えたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】基板（３０）と、前記基板上に固定して配設されたアンカー部（１１、５
３）と、円周側面（１８、５８）を有するおもり可動電極（１
２、５２）と、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記おもり可動
電極に固定されており、前記基板の表面と平行な方向に
加速度が生じたとき、弾性変形して、前記おもり可動電
極を前記基板の表面と平行な方向に変位させるバネ部
（１４〜１７、５４〜５７）と、前記基板上に固定して配設され、前記おもり可動電極の
前記円周側面と所定間隔を隔てて対向する円周側面（１
９、５９）を有する固定電極（１３１〜１３８、１５１
〜１５６）とを備え、前記固定電極は、前記おもり可動電極が前記加速度によ
って前記平行な方向に変位したとき前記おもり可動電極
と接触する検出用固定電極（１３５〜１３８、１５５、
１５６）と、この検出用固定電極と絶縁分離され、前記
おもり可動電極との間の静電引力によって検出感度を調
整するのに用いられる感度調整用固定電極（１３１〜１
３４、１５１〜１５４）とを有して構成されていること
を特徴とする加速度センサ。
【請求項３】前記検出用固定電極と前記おもり可動電
極の間、および前記感度調整用固定電極と前記おもり可
動電極の間のそれぞれに、独立して調整可能な電位差を
与える手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に
記載の加速度センサ。
【請求項４】前記感度調整用固定電極と前記おもり可
動電極の間の電位差（Ｖ_R）は、前記おもり可動電極が
前記検出用固定電極に接触したとき、前記感度調整用固
定電極と前記おもり可動電極との間に生じる静電引力
が、前記バネ部のバネ力よりも小さくなるように設定さ
れていることを特徴とする請求項３に記載の加速度セン
サ。
【請求項５】前記検出用固定電極は、おもり可動電極
と接触する突起（１３５ａ〜１３８ａ）を有しているこ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の
加速度センサ。
【請求項６】前記おもり可動電極が前記突起に接触し
たとき、前記突起によって前記おもり可動電極と前記感
度固定電極が接触しないようになっていることを特徴と
する請求項５に記載の加速度センサ。
【請求項７】前記突起の突出長さは、前記おもり可動
電極の可動な範囲において前記バネ力から前記静電引力
を引いた値が単純増加する領域になるように規定されて
いることを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
【請求項８】前記突起の突出長さは、前記おもり可動
電極の可動な範囲において前記バネ力から前記静電引力
を引いた値がピーク値を超えて０になるまでの領域にな
るように規定されていることを特徴とする請求項６に記
載の加速度センサ。