JP2012247204A - Acceleration sensor and method for measuring acceleration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度センサおよび加速度の測定方法に関し、特に、静電容量型の加速度センサおよび加速度の測定方法に関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor and an acceleration measuring method, and more particularly to a capacitance type acceleration sensor and an acceleration measuring method.
従来、加速度の印加に伴う電極間の静電容量変化により加速度を検出する方式の加速度センサが知られている。この静電容量型の加速度センサにおいて、基板に対して垂直方向の加速度を検出するセンサとして、慣性質量体の変位を回転変位に変換し、回転変位を静電容量変化として検出する加速度センサが、たとえば国際公開第2010/055716号パンフレット(特許文献1)提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an acceleration sensor that detects acceleration based on a change in capacitance between electrodes accompanying application of acceleration. In this capacitance type acceleration sensor, as a sensor that detects acceleration in a direction perpendicular to the substrate, an acceleration sensor that converts the displacement of the inertial mass body into a rotational displacement and detects the rotational displacement as a capacitance change, For example, International Publication No. 2010/055716 pamphlet (Patent Document 1) has been proposed.
この特許文献1には、シリコン基板上に多結晶シリコンにより形成された、慣性質量体、検出フレーム、リンク梁、ねじれ梁、アンカー部、検出電極からなる加速度センサが提案されている。アンカー部と検出フレームとはねじれ梁で、検出フレームと慣性質量体とはリンク梁で、それぞれ接続されている。また、検出電極は検出フレームと対向するように基板上に設けられている。
この加速度センサに、基板に対して垂直方向(面外方向)の加速度が印加されると、慣性質量体が面外方向に変位する。この慣性質量体の面外方向の変位により、リンク梁を介して検出フレームがねじれ梁の軸を中心として回転変位する。つまり慣性質量体の面外方向の変位が検出フレームの回転変位に変換される。この回転変位によって検出フレームと検出電極との間隔が変化するので、検出フレームと検出電極との間に形成される静電容量が変化する。加速度の印加に対して、間隔がそれぞれ増減するように配置した2つの検出電極の静電容量の差分を、容量−電圧変換回路により電圧に変換することで、加速度に応じた電圧が得られ、加速度を検出することができる。 When acceleration in a direction perpendicular to the substrate (out-of-plane direction) is applied to the acceleration sensor, the inertial mass body is displaced in the out-of-plane direction. Due to the displacement of the inertial mass body in the out-of-plane direction, the detection frame is rotationally displaced about the axis of the torsion beam via the link beam. That is, the displacement in the out-of-plane direction of the inertial mass body is converted into the rotational displacement of the detection frame. Since the interval between the detection frame and the detection electrode changes due to this rotational displacement, the capacitance formed between the detection frame and the detection electrode changes. By converting the difference between the capacitances of the two detection electrodes arranged so that the interval is increased or decreased with respect to the application of the acceleration into a voltage by the capacitance-voltage conversion circuit, a voltage corresponding to the acceleration is obtained, Acceleration can be detected.
また検出フレームと基板との間隙の空気層が衝撃を緩和する緩衝材となる効果、いわゆるエアダンピング効果によって、衝撃が加わった際にも検出フレームと基板との接触を起こり難くし、センサ素子構造を壊れ難くすることができる。 In addition, the effect of the air layer in the gap between the detection frame and the substrate acting as a cushioning material to mitigate the impact, the so-called air damping effect, makes it difficult for the detection frame and the substrate to contact even when an impact is applied. Can be hard to break.
しかしながら特許文献1に示す加速度センサでは、上記のエアダンピング効果により、慣性質量体が基板に近づく方向に変位する時に慣性質量体と基板との間隙の空気層にて抗力が生じる。この抗力は慣性質量体が基板に近いほど、また慣性質量体が基板に近づく速度が大きいほど大きくなる。このため、慣性質量体が基板に近づく方向に変位する場合と基板から離れる方向に変位する場合とで、すなわち加速度の印加方向によって感度が異なるという課題が明らかになった。
However, in the acceleration sensor shown in
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、加速度の印加方向による感度の差異を低減可能な加速度センサおよび加速度の測定方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor and an acceleration measurement method capable of reducing the difference in sensitivity depending on the direction in which the acceleration is applied.
本発明の加速度センサは、基板と、慣性質量体と、第1固定電極と、補正部とを備えている。慣性質量体は、基板の厚み方向に変位可能なように基板の表面に支持されている。第1固定電極は、慣性質量体との間で静電容量を構成するように基板の表面上に配置されている。補正部は、慣性質量体と第1固定電極との間の静電容量に基づく慣性質量体の変位の信号と慣性質量体の速度の信号とを検出し、かつ検出された変位の信号と速度の信号とに基づいて慣性質量体の変位を補正するためのものである。 The acceleration sensor of the present invention includes a substrate, an inertial mass body, a first fixed electrode, and a correction unit. The inertial mass body is supported on the surface of the substrate so that it can be displaced in the thickness direction of the substrate. The 1st fixed electrode is arrange | positioned on the surface of a board | substrate so that an electrostatic capacitance may be comprised between inertial mass bodies. The correcting unit detects a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on a capacitance between the inertial mass body and the first fixed electrode, and detects the displacement signal and the velocity detected. The displacement of the inertial mass body is corrected on the basis of the above signal.
本発明の加速度の測定方法は、基板と、その基板の厚み方向に変位可能なように基板の表面に支持された慣性質量体と、慣性質量体との間で静電容量を構成するように基板の表面上に配置された固定電極とを備えた加速度センサを用いた加速度の測定方法であって、以下の工程を備えている。 According to the acceleration measuring method of the present invention, an electrostatic capacity is configured between a substrate, an inertial mass body supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate, and the inertial mass body. An acceleration measurement method using an acceleration sensor including a fixed electrode disposed on a surface of a substrate, and includes the following steps.
慣性質量体と固定電極との間の静電容量が検出される。慣性質量体と固定電極との間の上記静電容量に基づいて慣性質量体の変位の信号と慣性質量体の速度の信号とが出力される。慣性質量体の変位の信号と速度の信号とに基づいて慣性質量体の変位が補正される。 A capacitance between the inertial mass and the fixed electrode is detected. A displacement signal of the inertial mass body and a speed signal of the inertial mass body are output based on the capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode. The displacement of the inertial mass body is corrected based on the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body.
以上説明したように本発明によれば、慣性質量体の変位の信号と速度の信号とを検出することにより、エアダンピング効果に起因する、加速度の印加方向による感度の差異を補正することができる。 As described above, according to the present invention, by detecting the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body, it is possible to correct the difference in sensitivity depending on the acceleration application direction caused by the air damping effect. .
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
まず本発明の実施の形態1の加速度センサの構成について図1〜図5を用いて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
First, the configuration of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1〜図5を参照して、本実施の形態の加速度センサは、センサ素子構造体10と、回路部20(図5)とを有している。このセンサ素子構造体10は、図1〜図4に示すように、基板1と、絶縁膜9と、アンカー5と、ねじれ梁6(図1)と、検出フレーム7と、リンク梁4(図1)と、慣性質量体3と、第1固定電極13と、第2固定電極14と、検出電極81、82とを主に有している。回路部20は、図5に示すように、容量−電圧変換回路21、22と、微分回路23と、補正回路24と、補正テーブル25とを主に有している。
1 to 5, the acceleration sensor according to the present embodiment includes a
主に図2を参照して、センサ素子構造体10の基板1としては、たとえばシリコン基板を用いることができる。この基板1の表面には絶縁膜9が形成されている。この絶縁膜9としては、たとえば窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を用いることができる。
Referring mainly to FIG. 2, as
この絶縁膜9の表面上には、アンカー5が設けられている。このアンカー5は、たとえば2層の導電層5a、5bからなっている。また基板1の表面上には絶縁膜9を介在して、第1固定電極13、第2固定電極14、および検出電極81、82が形成されている。
An
主に図3を参照して、基板1の厚み方向から見て(検出軸方向から見て)、導電層5aを挟むように導電層5aの両側に検出電極81、82が配置されている。また検出電極81、82を挟むように検出電極81、82の両側に第1固定電極13、第2固定電極14が配置されている。第1固定電極13は検出電極81に隣り合うように、また第2固定電極14は検出電極82に隣り合うように配置されている。検出電極81、82と、第1固定電極13と、第2固定電極14との各々は、互いに同じ方向(図中上下方向)にたとえば直線状に延びている。
Referring mainly to FIG. 3, when viewed from the thickness direction of substrate 1 (viewed from the detection axis direction),
主に図1を参照して、アンカー5の導電層5bには、ねじれ梁6を介在して検出フレーム7が接続されている。ねじれ梁6は、ねじれ梁6の延在方向に沿う仮想のねじれ軸線を中心としてねじれるように構成されている。これにより検出フレーム7は、ねじれ軸線を中心に回転可能にねじれ梁6に支持されており、ねじれ梁6のねじれにより基板1の表面に対して傾斜可能である。検出フレーム7は、基板1の厚み方向から見て、導電層5bの外周との間に隙間をあけてその外周を取り囲む枠形状を有している。
Referring mainly to FIG. 1, a
検出フレーム7には、リンク梁4を介在して慣性質量体3が接続されている。リンク梁4は、基板1の厚み方向から見てねじれ軸線からずれた仮想線上を延在するように検出フレーム7に支持されている。慣性質量体3は、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁4に支持されている。この慣性質量体3は、基板1の厚み方向から見て、検出フレーム7の外周との間に隙間をあけてその外周を取り囲む枠形状を有している。
The
アンカー5、ねじれ梁6、検出フレーム7、リンク梁4および慣性質量体3は、互いに等電位になるように電気的に接続されている。基板1は、絶縁膜9により検出電極81、82、第1固定電極13、および第2固定電極14とは電気的に絶縁されている。
The
主に図2および図4を参照して、検出フレーム7の下面は検出電極81の上面および検出電極82の上面と隙間をあけて対向している。これにより検出フレーム7と検出電極81との間には静電容量C2が形成され、検出フレーム7と検出電極82との間には静電容量C1が形成されている。この検出フレーム7と検出電極81、82とにより、加速度情報を検出するセンサ部が構成されている。
Referring mainly to FIGS. 2 and 4, the lower surface of
また慣性質量体3の下面は第1固定電極13の上面および第2固定電極14の上面と隙間をあけて対向している。これにより慣性質量体3と第1固定電極13との間には静電容量C3が形成され、慣性質量体3と第2固定電極14との間には静電容量C4が形成されている。なお第2固定電極14は、第2固定電極14に電圧を印加することにより慣性質量体3との間に静電力を発生させ、慣性質量体3を変位させることができるように構成されている。
The lower surface of the
上記のアンカー5、ねじれ梁6、検出フレーム7、リンク梁4、慣性質量体3、導電層5a、5b、第1固定電極13、第2固定電極14、検出電極81、82の各々は、たとえば導電性多結晶シリコン膜よりなっており、この多結晶シリコン膜は低応力で、かつ応力分布がないことが望ましい。
Each of the
主に図5を参照して、回路部20は、容量−電圧変換回路21と、補正部22〜25とを有している。容量−電圧変換回路21は、その静電容量C1とC2との差分に応じた電圧を検出電極81、82による出力信号(上記センサ部の出力信号)として出力する機能を有している。
Referring mainly to FIG. 5, the
補正部は、慣性質量体3と第1固定電極13との間の静電容量C3に基づく慣性質量体3の変位の信号と慣性質量体3の速度の信号とを検出し、かつ検出された上記変位の信号と上記速度の信号とに基づいて検出電極81、82による出力信号を補正する機能を有している。上記補正部は、容量−電圧変換回路22と、微分回路(時間変化算出部)23と、補正回路24と、補正テーブル25とを有している。
The correction unit detects and detects a displacement signal of the inertial
容量−電圧変換回路22は、静電容量C3に応じた電圧を慣性質量体3の変位信号として出力する機能を有している。微分回路23は、容量−電圧変換回路22に電気的に接続されている。この微分回路23は、容量−電圧変換回路22により変換された慣性質量体3の変位信号を微分して、入力信号の時間変化として慣性質量体3の速度信号を出力する機能(つまり静電容量C3の時間変化を算出する機能)を有している。
The capacitance-
補正回路24は、容量−電圧変換回路21、22と微分回路23と補正テーブル25との各々に電気的に接続されている。補正テーブル25は、慣性質量体3の上記変位の信号と上記速度の信号を入力として、変位と速度とに対応したセンサ出力補正量を出力する機能を有している。これにより補正回路24は、慣性質量体3の変位信号と速度信号とを補正テーブル25に入力し、補正テーブル25から得られたセンサ出力補正量に基づいて検出電極81、82による出力信号を補正する機能を有している。このように補正回路24によって補正された信号がセンサ出力として出力される。
The
上記の容量−電圧変換回路21は、図6に示すように、センサ素子構造体10で形成される静電容量C1、C2と併せて構成されている。容量−電圧変換回路21は、一定電圧である電圧Vdが印加されることにより、出力Vout1を得るように構成されている。この出力Vout1は次の式1で表される。
As shown in FIG. 6, the capacitance-
また上記の容量−電圧変換回路22は、図7に示すように、センサ素子構造体10で形成される静電容量C3と併せて構成されている。容量−電圧変換回路22は、スイッチトキャパシタ回路として知られる構成により、静電容量C3に応じた出力Vout2を得るように構成されている。
Further, the capacitance-
また上記の微分回路23は、図8に示すような一般的な微分回路により構成されており、入力Vin3に対して、時間微分信号Vout3を出力するように構成されている。
Further, the differentiating
補正テーブル25は以下のように決定される。
エアダンピングによる抗力は、一般に知られるように、変位xに対する運動方程式(以下の式2)の粘性項(C・∂x/∂t)に相当する。
The correction table 25 is determined as follows.
As is generally known, the drag force due to air damping corresponds to the viscosity term (C · ∂x / 運動 t) of the equation of motion (Formula 2 below) with respect to the displacement x.
さらに極めて間隙が小さい場合には、式2中の粘性項の係数Cそのものも間隙dおよびその時間変化∂d/∂tに依存して変化する。したがって、エアダンピングによる抗力は間隙dおよびその時間変化∂d/∂tに依存する。一般に、抗力は図9に示すように間隙の時間変化∂d/∂tが一定の下では、間隙dが小さいほど指数関数的に大きくなり、図10に示すように間隙dが一定の下では、間隙の時間変化∂d/∂tが大きいほど大きくなる。抗力は間隙と間隙の時間変化によって一意に定まる。 Further, when the gap is extremely small, the coefficient C itself of the viscosity term in Equation 2 also changes depending on the gap d and its time change ∂d / ∂t. Therefore, the drag due to air damping depends on the gap d and its time variation ∂d / ∂t. In general, the drag increases exponentially as the gap d becomes smaller when the time variation ∂d / 図 t of the gap is constant as shown in FIG. 9, and when the gap d is constant as shown in FIG. The larger the time change ∂d / ∂t of the gap, the larger the gap. The drag is uniquely determined by the gap and the time change of the gap.
したがって、センサ素子構造体10に加速度が印加された場合、慣性質量体3に働く抗力Dは、慣性質量体3が基板1側に近づけば近づくほど、また慣性質量体3の速度が速くなればなるほど大きくなる。この抗力Dが大きくなることに応じて慣性質量体3の変位は小さくなるので、結果としてセンサとしての加速度感度は低下する。
Therefore, when the acceleration is applied to the
抗力Dは慣性質量体3の変位と速度とによって一意に定まる。このため、あらかじめ慣性質量体3の変位と速度とに応じたセンサ出力を実測などにより決定しておけば、抗力Dの影響による出力補正量を定めることができる。すなわち、慣性質量体3の変位と速度とにより定まる抗力Dによるセンサ出力の低下分を出力補正量として定めることができる。これにより、慣性質量体3の変位と速度とに応じて一意に定まる出力補正量を出力とする補正テーブル25を決定することができる。
The drag D is uniquely determined by the displacement and speed of the
また上記の補正回路24は、上述のとおり上記補正テーブル25に基づいた出力補正を行う回路である。
The
なお本実施の形態の加速度センサの使用においては、静電容量の電圧への変換や、電極への電圧印加のために、センサ素子構造体10と回路部20との電気的な接続を行う必要がある。この電気的な接続として、センサ素子構造体10のアンカー5、検出電極81、82、第1固定電極13、第2固定電極14などから基板1上の配線パターンやボンディングワイヤによって回路部20への接続が可能である。
In using the acceleration sensor of the present embodiment, it is necessary to electrically connect the
次に、本実施の形態における加速度センサのセンサ素子構造体10の製造方法について図11〜図18を用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
本実施の形態のセンサ素子構造体10は、たとえばシリコンよりなる基板1上に成膜、パターニング、エッチングといったプロセスを繰り返し行う、いわゆる半導体微細加工技術、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイス製造技術によって作製することができる。
The
図11を参照して、たとえばシリコンよりなる基板1上に、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、酸化シリコンよりなる絶縁膜9が成膜される。
Referring to FIG. 11, an insulating
図12を参照して、絶縁膜9の上に導電性多結晶シリコン膜101が成膜される。この導電性多結晶シリコン膜101が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。
Referring to FIG. 12, conductive
図13を参照して、上記のパターニングにより、導電性多結晶シリコン膜よりなる導電層5a、第1固定電極13、第2固定電極14、および検出電極81、82が形成される。
Referring to FIG. 13,
図14を参照して、導電層5a、第1固定電極13、第2固定電極14、および検出電極81、82上を覆うように、絶縁膜9上にPSG(Phosphosilicate Glass)膜102が成膜される。
Referring to FIG. 14, a PSG (Phosphosilicate Glass)
図15を参照して、PSG膜102が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。これによりPSG膜102に、導電層5aに達する孔102aが形成される。
Referring to FIG. 15,
図16を参照して、孔102aを通じて導電層5aと接するように、PSG膜102上に導電性多結晶シリコン膜103が成膜される。この導電性多結晶シリコン膜103が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。
Referring to FIG. 16, conductive
図17を参照して、上記のパターニングにより、導電性多結晶シリコン膜よりなる導電層5b、ねじれ梁(図示せず)、検出フレーム7、リンク梁(図示せず)、および慣性質量体3が形成される。この後、PSG膜102がエッチングにより除去されて、図18に示す本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体10が作製される。
Referring to FIG. 17, by the above patterning,
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について図19〜図22を用いて説明する。
本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体10において、図19に示すように図中下向き(正方向)の加速度が印加されると、慣性質量体3が基板1から離れる方向に変位する。この場合、リンク梁4とねじれ梁6とでそれぞれ慣性質量体3とアンカー5とに接続された検出フレーム7は、リンク梁4とねじれ梁6との変形によってねじり軸線のまわりに回転変位する。この回転変位により、検出電極81、82と検出フレーム7とのギャップ間隔はそれぞれ変化し、静電容量C1は増加し、静電容量C2は減少する。印加された加速度の大きさに対して慣性質量体3の変位は比例して変化し、慣性質量体3の変位に対して(C1/(C1+C2))は比例して変化するため、容量−電圧変換回路21の出力により、印加された加速度を検出することができる。
Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
In the
一方、図20に示すように図中上向き(負方向)の加速度が印加されると、慣性質量体3が基板1に近づく方向に変位する。この場合、検出フレーム7は図19の場合とは反対側に回転変位する。この回転変位により、検出電極81、82と検出フレーム7とのギャップ間隔はそれぞれ変化し、静電容量C1は減少し、静電容量C2は増加する。印加された加速度の大きさに対して慣性質量体3の変位は比例して変化し、慣性質量体3の変位に対して(C1/(C1+C2))は比例して変化するため、図19の場合と同様に、容量−電圧変換回路21の出力により、印加された加速度を検出することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 20, when an upward acceleration (negative direction) is applied, the inertial
しかしながら、図20に示す場合、エアダンピング効果による抗力が生じる。このため、図21に示すように負方向に変位が大きくなるほど(すなわち慣性質量体3が基板1に近づくほど、あるいは慣性質量体3の速度が大きくなるほど)、変位の変化は小さくなる。その結果、センサ出力に誤差が生じ、加速度の印加方向による感度の差異が生じる。
However, in the case shown in FIG. 20, drag due to the air damping effect occurs. For this reason, as shown in FIG. 21, as the displacement increases in the negative direction (that is, as the
ここで、加速度の印加により慣性質量体3と第2固定電極14との間隙が変わることで、静電容量C3は加速度に対して単調に増減する。この慣性質量体3と第2固定電極14との間の静電容量C3が測定される(ステップS1:図22)。そして、静電容量C3の容量−電圧変換回路22の出力によって、慣性質量体3と第2固定電極14との距離、すなわち慣性質量体3の変位を検出することができる。さらに、微分回路23の出力から慣性質量体3の速度を検出することができる。このように静電容量C3に基づいて慣性質量体3の変位の信号と速度の信号とが検出される(ステップS2:図22)。
Here, when the gap between the inertial
エアダンピング効果による抗力は、上記の式2を参照して、慣性質量体3の変位と速度とによって一意に定まる。このため、得られた変位の信号と速度の信号とから、補正テーブル25を用いて、慣性質量体3の変位が補正される(ステップS3:図22)。つまり、得られた変位の信号と速度の信号とから、補正テーブル25を用いて慣性質量体3の変位の低下分が補正されることによって検出電極81、82による出力信号が補正される。これにより、加速度の印加方向による感度の差異がないセンサ出力信号を得ることができる。
The drag due to the air damping effect is uniquely determined by the displacement and speed of the inertial
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
上述したように本実施の形態によれば、ねじれ梁6とリンク梁4との変形により、基板1の厚み方向に印加された加速度に応じた変位を慣性質量体3に与えるとともに、基板1の厚み方向に印加された加速度に応じた回転変位を検出フレーム7に与えることができる。それによって検出フレーム7で加速度情報を出力することができ、かつ慣性質量体3の変位の信号と速度の信号とを検出することができる。これにより、検出フレーム7および検出電極81、82で出力された加速度情報を慣性質量体3の変位と速度との信号に基づいて補正することにより、エアダンピング効果に起因する、加速度の印加方向による感度の差異を補正することができる。
Next, the effect of this Embodiment is demonstrated.
As described above, according to the present embodiment, the deformation of the
またセンサ出力の補正の有無や、加速度の印加方向によらず、本実施の形態のセンサ素子構造体10は、エアダンピング効果による抗力を受ける。このため、衝撃が加わった際にも、検出フレーム7と基板1との接触が起こり難く、センサ素子構造体10が壊れ難いという効果も得られる。
In addition, the
また、第2固定電極14に電圧を印加することにより慣性質量体3との間に静電力を発生させ、慣性質量体3を変位させることができる。これにより、慣性質量体3と第2固定電極14との間に静電力を発生させることによって、加速度の印加によらず慣性質量体3を変位させることができ、構造物が破壊されているか否かを自己診断することができる。
Moreover, an electrostatic force can be generated between the inertial
本実施の形態においては図3に示すように、基板1の厚み方向から見て、第1固定電極13と第2固定電極14との各々がアンカー5(導電層5a)の一方側のみに配置(非対称に配置)された場合について説明した。しかし、図23に示すように、基板1の厚み方向から見て、第1固定電極13と第2固定電極14との各々がアンカー5(導電層5a)を取り囲むことにより、アンカー5(導電層5a)を通る仮想線A−Aに対して線対称に構成されていてもよい。第1固定電極13は慣性質量体3の変位を検出するために慣性質量体3との間に静電容量C3を形成すればよく、第1固定電極13の位置や配置は特に制限されない。また、第2固定電極14は慣性質量体3との間に静電力を発生させられればよく、第2固定電極14の位置や配置も特に制限されない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, each of the first fixed
なお図23においては第1固定電極13が内周側で、第2固定電極14が外周側の場合について示したが、第1固定電極13が外周側で、第2固定電極14が内周側に位置していてもよい。
FIG. 23 shows the case where the first fixed
また本実施の形態においては、第1固定電極13と第2固定電極14とがそれぞれ個別に設けられているが、構造物が破壊されているか否かの自己診断時には必ずしもセンサ出力の補正は必要ではない。一方、加速度を検出する際には自己診断機能は必要ではない。このため図24に示すように、慣性質量体3と対向する電極として1つの電極(第1固定電極)のみを設けて、外部からスイッチ(切り替えスイッチ)SW1、SW2などで切り替えることによって、容量の検出と電圧印加による静電力の発生との2つの機能が切り替えられてもよい。
Further, in the present embodiment, the first fixed
また本実施の形態においては、図1に示すように、基板1の厚み方向から見て、1つの慣性質量体3が1つの検出フレーム7を囲んでいるが、図25および図26に示すように1つの慣性質量体3が2つの検出フレーム7を囲んでいてもよい。この構成においては、基板1の厚み方向から見て、図中左側の検出フレーム7では仮想線は仮想のねじれ軸線の図中左側に位置しているのに対して、図中右側の検出フレーム7では仮想線は仮想のねじれ軸線の図中右側に位置している。このように図中左側と右側との各検出フレーム7、ねじれ梁6、リンク梁4および慣性質量体3は、2つの検出フレーム7の間を通る仮想線B−Bに対して線対称に構成されている。なお図26に示すように図中左側の検出フレーム7には検出電極81、82が対向しており、図中右側の検出フレーム7には検出電極83、84が対向している。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, one
このように線対称の構成においては、慣性質量体3が基板1の厚み方向に変位する場合には2つの検出フレーム7の各々が互いに逆向きに回転変位する。しかし、慣性質量体3が傾斜したり、基板1の面内方向に変位する場合には2つの検出フレーム7は互いに同じ向きに回転変位する。そのため、2つの検出フレーム7の各々を互いに逆向きの回転変位にのみ感度が高くなるように、検出電極81と84とを互いに電気的に接続して静電容量C1を構成するとともに、検出電極82と83とを互いに電気的に接続して静電容量C2を構成することで、検出軸方向以外の加速度に対する感度を抑制し、角速度や角加速度の影響を受け難くすることができる。
Thus, in the line-symmetric configuration, when the inertial
また図27に示す構成のように、容量−電圧変換回路21、22以後の電圧信号がアナログ−ディジタル変換器(A/D)31、32によってアナログ−ディジタル変換されることで、アナログ−ディジタル変換器31、32以降の信号処理がディジタル処理とされてもよい。ディジタル処理とすることによって、回路の温度特性の抑制やノイズに対する耐性の向上、製造ばらつきの排除、回路配線の微細化に伴う小型化、低コスト化、さらに補正テーブル25の更新の容易化などを図ることができるという利点がある。
As shown in FIG. 27, voltage signals after the capacitance-
また図28に示す構成のように、容量−電圧変換回路21、22以後の処理部(回路部20)がASIC(特定用途向け集積回路)として1つの回路とされてもよい。
Further, as in the configuration shown in FIG. 28, the processing units (circuit unit 20) after the capacitance-
(実施の形態2)
次に、本実施の形態の加速度センサの構成について図29および図30を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Next, the configuration of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 29 and 30. FIG.
図29を参照して、本実施の形態の構成は、図5に示す実施の形態1の微分回路23および補正回路24に代えて、センサ素子構造体10内の静電容量C5を含むHPF回路(ハイパスフィルタ、高域通過濾波器)と、アンプ51と、加算器とを有する点において実施の形態1の構成と異なっている。
Referring to FIG. 29, the configuration of this embodiment is an HPF circuit including a capacitance C5 in
静電容量C5は、図30に示すように慣性質量体3と、その慣性質量体3に対向するように基板1上に絶縁膜9を介在して設けられた第3固定電極15との間で構成されている。第3固定電極15は、検出電極81、82および第1固定電極13と同一の導電層をパターニングすることにより形成されており、たとえば導電性多結晶シリコン層よりなっている。なお図30においては静電容量C4を構成するための第2固定電極が図示されていないが、この第2固定電極は図30に示されない部分に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 30, the capacitance C5 is between the inertial
HPF回路は、上記の静電容量C5と、その静電容量C5に接続された抵抗Rとを有している。このHPF回路にアンプ51が接続されている。このアンプ51と容量−電圧変換回路21との双方に加算器が接続されている。
The HPF circuit has the above-described capacitance C5 and a resistor R connected to the capacitance C5. An
なお上記以外の本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration of the present embodiment other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is not repeated.
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について図29および図31〜図33を用いて説明する。 Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 29 and 31 to 33.
本実施の形態において図21に示した、変位、速度に対する誤差を補正するためには、図31に示すような補正値が必要となる。一方、静電容量C3は、図32に示すように慣性質量体3が基板1に近づけば近づくほど大きくなる。そのため、図7に示す容量−電圧変換回路22(スイッチトキャパシタ回路)により、図29中の「慣性質量体の変位信号」は概ね図33に示すような特性となる。
In order to correct the error with respect to the displacement and speed shown in FIG. 21 in the present embodiment, correction values as shown in FIG. 31 are required. On the other hand, the capacitance C3 increases as the
一般にHPF回路においては、図34に示す入力信号Vin4に対する出力信号Vout4の周波数特性は概ね図35に示すようになる。HPF回路の出力信号Vout4の周波数特性は、低域側においては周波数が高くなるほど出力が大きくなり、HPF回路は微分回路(時間変化算出部)としての特性を持っている。また、HPF回路を構成する容量Cが大きくなるほど信号通過帯域が低域側に拡大していくため、結果として、同じ周波数Fの入力信号に対しては出力信号は大きくなる。 In general, in the HPF circuit, the frequency characteristic of the output signal Vout4 with respect to the input signal Vin4 shown in FIG. 34 is substantially as shown in FIG. The frequency characteristic of the output signal Vout4 of the HPF circuit increases as the frequency increases on the low frequency side, and the HPF circuit has a characteristic as a differentiating circuit (time change calculation unit). Further, as the capacitance C constituting the HPF circuit is increased, the signal passband is expanded toward the low frequency side, and as a result, the output signal is increased for the input signal having the same frequency F.
この図35に示す特性については、慣性質量体3の速度と出力との大きさに注目すると概ね図36のように描き直すことができ、さらに慣性質量体3の変位と出力の大きさに注目すると概ね図37のように書き直すことができる。つまり図35の特性から慣性質量体の速度および変位に対応する物理量を得ることができる。
The characteristics shown in FIG. 35 can be redrawn generally as shown in FIG. 36 when attention is paid to the speed and output magnitude of the inertial
したがって、「慣性質量体の変位信号」がHPF回路を通過してアンプ51を経た後の特性は、図33の特性と図37の特性とをかけ合わせることによって得られる、概ね図38に示すような特性となる。これにより図31に示す必要な補正値信号の特性を得ることができる。その後、「検出電極による出力信号」と上記補正値信号とを加算器によって減算することによってセンサ出力補正が行われる。なお、一般に特性の傾向が同じでも信号の大きさの調整は必要と考えられるため、この調整のために最終段にアンプ51が付加されている。
Therefore, the characteristic after the “displacement signal of the inertial mass body” passes through the HPF circuit and passes through the
上記の結果、図29の構成によれば、実施の形態1での補正回路と同様の効果が得られ、変位の低下分を概ね補正し、加速度の印加方向による感度の差異を低減したセンサ出力信号を得ることができる。 As a result of the above, according to the configuration of FIG. 29, the same effect as that of the correction circuit in the first embodiment can be obtained, and the sensor output in which the decrease in displacement is substantially corrected and the difference in sensitivity depending on the acceleration application direction is reduced. A signal can be obtained.
本実施の形態の加速度センサにおいては、第1固定電極13および第3固定電極15の各々は慣性質量体3の変位を検出するために慣性質量体3との間に静電容量を形成すればよく、それらの位置や配置は制限されない。また第2固定電極は慣性質量体3との間に静電力を発生させられればよく、その位置や配置にも制限はない。
In the acceleration sensor according to the present embodiment, each of the first fixed
本実施の形態においては,アンプ51は補正信号の大きさを一律に調整するために用いられている。しかし、センサ素子構造体10にて形成する静電容量C3、C5、あるいはHPF回路を構成する抵抗成分Rの値を調整することで、図39に示すようにアンプ51を用いない構成が採用されてもよい。具体的には第1固定電極13、第3固定電極15の面積を増減させることで補正信号の大きさを一律に調整することができる。
In the present embodiment, the
また本実施の形態の加速度センサにおいては、実施の形態1の加速度センサと同様に、第1固定電極13と第2固定電極14とが、あるいは第3固定電極15と第2固定電極14とが個別に設けられずに1つの電極として設けられ、外部からスイッチなどで切り替えられることによって容量の検出と電圧印加による静電力の発生との2つの機能が切り替えられてもよい。
Further, in the acceleration sensor according to the present embodiment, the first fixed
また本実施の形態の構成は、1つの検出フレーム7が1つの慣性質量体3で取り囲まれた構成であってもよく、また図25に示すように2以上の複数の検出フレーム7が1つの慣性質量体3で取り囲まれる構成であってもよい。
In addition, the configuration of the present embodiment may be a configuration in which one
上記のねじれ梁6と、検出フレーム7と、リンク梁4と、慣性質量体3とが変位部材を構成している。また上記のねじれ梁6と、検出フレーム7と、リンク梁4とが変位部材に含まれる梁部材を構成していてもよい。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、静電容量型の加速度センサに有利に適用され得る。 The present invention can be advantageously applied to a capacitance type acceleration sensor.
1 基板、3 慣性質量体、4 リンク梁、5 アンカー、5a,5b 導電層、6 ねじれ梁、7 検出フレーム、9 絶縁膜、10 センサ素子構造体、13 第1固定電極(変位検出の電極)、14 第2固定電極(自己診断用の電極)、15 第3固定電極、20 回路部、21,22 容量−電圧変換回路、23 微分回路、24 補正回路、25 補正テーブル、31,32 アナログ−ディジタル変換器、51 アンプ、81,82,83,84 検出電極、SW1,SW2 スイッチ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板の厚み方向に変位可能なように前記基板の表面に支持された慣性質量体と、
前記慣性質量体との間で静電容量を構成するように前記基板の前記表面上に配置された第1固定電極と、
前記慣性質量体と前記第1固定電極との間の前記静電容量に基づく前記慣性質量体の変位の信号と前記慣性質量体の速度の信号とを検出し、かつ検出された前記変位の信号と前記速度の信号とに基づいて前記慣性質量体の変位を補正する補正部とを備えた、加速度センサ。 A substrate,
An inertial mass supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate;
A first fixed electrode disposed on the surface of the substrate to form a capacitance with the inertial mass;
Detecting a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on the capacitance between the inertial mass body and the first fixed electrode, and detecting the displacement signal detected And a correction unit that corrects the displacement of the inertial mass body based on the velocity signal.
前記ねじれ軸線を中心に回転可能に前記ねじれ梁に支持された検出フレームと、
前記厚み方向から見て前記ねじれ軸線からずれた仮想線上で前記検出フレームに支持され、かつ前記基板に対して前記厚み方向に変位可能なように前記慣性質量体を支持するリンク梁とをさらに備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の加速度センサ。 A torsion beam supported by the substrate and twisted about a virtual torsion axis; and
A detection frame supported by the torsion beam so as to be rotatable about the torsion axis;
A link beam supported by the detection frame on an imaginary line deviated from the torsion axis when viewed from the thickness direction and supporting the inertial mass body so as to be displaceable in the thickness direction with respect to the substrate. The acceleration sensor according to claim 1.
前記慣性質量体と前記固定電極との間の静電容量を検出する工程と、
前記慣性質量体と前記固定電極との間の前記静電容量に基づいて前記慣性質量体の変位の信号と前記慣性質量体の速度の信号とを出力する工程と、
前記慣性質量体の前記変位の信号と前記速度の信号とに基づいて前記慣性質量体の変位を補正する工程とを備えた、加速度の測定方法。 A capacitance is formed between the substrate, an inertial mass supported on the surface of the substrate so as to be displaceable in the thickness direction of the substrate, and the inertial mass on the surface of the substrate. A method of measuring acceleration using an acceleration sensor comprising a fixed electrode disposed,
Detecting a capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode;
Outputting a displacement signal of the inertial mass body and a velocity signal of the inertial mass body based on the capacitance between the inertial mass body and the fixed electrode;
And a step of correcting the displacement of the inertial mass body based on the displacement signal and the velocity signal of the inertial mass body.
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