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JP2002005955A - 容量式力学量センサ - Google Patents

容量式力学量センサ

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Publication number
JP2002005955A
JP2002005955A JP2000191536A JP2000191536A JP2002005955A JP 2002005955 A JP2002005955 A JP 2002005955A JP 2000191536 A JP2000191536 A JP 2000191536A JP 2000191536 A JP2000191536 A JP 2000191536A JP 2002005955 A JP2002005955 A JP 2002005955A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
movable electrode
connecting portion
displacement
vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000191536A
Other languages
English (en)
Inventor
Mineichi Sakai
峰一 酒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2000191536A priority Critical patent/JP2002005955A/ja
Priority to US09/880,778 priority patent/US6502462B2/en
Priority to DE10130237A priority patent/DE10130237B4/de
Publication of JP2002005955A publication Critical patent/JP2002005955A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量式半導体加速度センサにおいて、実動作
時の変位部の振動特性を確保しつつ、ワイヤボンディン
グ時の変位部の破損を防止する。 【解決手段】 支持基板としてのＳＯＩ基板１０と可動
電極２０とは、第１の梁２２１及び第２の梁２２２の両
端部が梁連結部２２３で連結された枠形状の変位部２２
を介して連結され、可動電極２０には固定電極３１、３
２が対向配置されている。また、ＳＯＩ基板１０には、
ワイヤボンディング用の電極パッド２５ａ、３１ｂ、３
２ｂが形成されている。変位部２２において、ＳＯＩ基
板１０及び可動電極２０との連結部を固定端とし梁連結
部２２３を自由端とした屈曲振動の固有振動数が、ワイ
ヤボンディングの際に印加される振動数とは異なるよう
に、梁連結部２２３が調整された形状となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可動電極と固定電
極とを備え、これら両電極間の容量変化に基づき印加力
学量を検出する容量式力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、この種の容量式力学量センサ
として、特開平１１−３２６３６５号公報に記載のもの
が提案されている。このものは、支持基板（半導体基
板）に対して連結された変位部（バネ部）と、この変位
部に連結されて変位部とともに変位可能な可動電極と、
支持基板に支持され可動電極に対向して配置された固定
電極とを備える。
【０００３】ここで、変位部は、詳しくは、中間部にて
支持基板に連結されて支持された第１の梁と、この第１
の梁と離間して平行に配置された第２の梁と、これら第
１及び第２の梁の両端部を連結する梁連結部とよりなる
枠形状をなし、可動電極は、第２の梁の中間部に連結さ
れ、前記第２の梁とともに変位可能となっている。ま
た、上記容量式力学量センサにおいて、支持基板には、
可動電極及び固定電極を外部と電気的に接続するための
電極パッドが形成されており、通常、この電極パッド
は、ワイヤボンディングを施すことにより外部回路に結
線される。
【０００４】そして、例えば加速度等の力学量が印加さ
れたとき、変位部における第１及び第２の梁が、その長
手方向と直交する方向に前記梁連結部を固定端として検
出振動を行う。このとき、この検出振動に応じて可動電
極が変位することにより、可動電極と固定電極との間に
容量変化が生じ、この容量変化に基づいて印加力学量が
検出されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の検討によれば、上記従来の容量式力学量センサにお
いては、次のような問題が生じることがわかった。上記
電極パッドに対してワイヤボンディングを行う際には、
このワイヤボンディングの振動が変位部に印加される。
このワイヤボンディングの振動数と変位部の梁の固有振
動数とが一致すると、変位部の梁が共振して梁連結部が
周囲部分に当たり、変位部が破損する。
【０００６】ここで、単純には、変位部の第１の梁及び
第２の梁の固有振動数を調整し、ワイヤボンディングの
振動数と変位部の梁の固有振動数とが一致しないように
することが考えられるが、その場合、力学量を検出する
検出振動時、即ち実動作時において変位部の振動特性が
変わってしまう。
【０００７】そこで、本発明は上記問題に鑑み、容量式
力学量センサにおいて、実動作時の変位部の振動特性を
確保しつつ、ワイヤボンディング時の変位部の破損を防
止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、容量式力学
量センサの変位部における実動作時の振動モードと、ワ
イヤボンディング時の振動モードについて鋭意検討を行
った。その結果、実動作時とワイヤボンディング時とで
は、変位部の振動モードが異なることがわかった。
【０００９】図４（ａ）に示す様に、実動作時の変位部
（２２）の振動、即ち検出振動は、力学量が印加された
とき、第１の梁（２２１）及び第２の梁（２２２）が梁
連結部（２２３）を固定端として、その長手方向と直交
する方向にて互いに近づいたり離れたりするように振動
する（検出振動モード）。
【００１０】一方、図４（ｂ）に示す様に、ワイヤボン
ディング時の変位部（２２）の振動は、第１の梁（２２
１）における支持基板（１０）との連結部及び第２の梁
（２２２）における可動電極（２０）との連結部を固定
端とし、梁連結部（２２３）を自由端として、第１の梁
（２２１）及び第２の梁（２２２）が同一方向へ屈曲す
る屈曲振動を行う（屈曲振動モード）。
【００１１】また、これら２つの振動モードにおいて、
変位部を構成する梁の固有振動数は、梁のバネ定数を
Ｋ、振動体の質量をｍとすると、（Ｋ／ｍ）1/2で決定
される。ここで、実動作時の検出振動モードでは、質量
ｍは変位部だけでなく、変位部に比べて非常に重い可動
電極の質量も含むのに対し、ワイヤボンディング時の屈
曲振動モードでは、質量ｍは実質的に変位部の質量のみ
である。
【００１２】そのため、屈曲振動モードにおける梁の固
有振動数（例えば数１０ｋＨｚ以上）は、検出振動モー
ドにおける梁の固有振動数（例えば１０ｋＨｚ以下）よ
りも１桁程度大きく、屈曲振動モードにおける梁の固有
振動数は、ワイヤボンディングの振動数（例えば６０ｋ
Ｈｚまたは１２０ｋＨｚ）と一致しやすくなる。
【００１３】よって、ワイヤボンディング時、変位部は
屈曲振動モードで共振しやすくなるため、この屈曲振動
の固有振動数がワイヤボンディングの際に印加される振
動数とは異なるように、尚且つ、実動作時の検出振動の
振動特性を確保するように、変位部を構成することが必
要となる。このような検討に基づいて、請求項１〜請求
項５の発明を創出するに至った。
【００１４】まず、請求項１の発明においては、変位部
（２２）は、上記の屈曲振動ができるようになってお
り、該変位部の屈曲振動における固有振動数がワイヤボ
ンディングの際に印加される振動数とは異なるように、
梁連結部（２２３）が調整された形状となっていること
を特徴としている。
【００１５】本発明によれば、力学量を検出する検出振
動時即ち実動作時において固定端となる梁連結部（２２
３）の形状を調整するだけであるので、この梁連結部の
形状調整は、該検出振動の特性を支配する第１の梁（２
２１）及び第２の梁（２２２）には殆ど影響しない。そ
のため、実動作時の変位部（２２）の振動特性は確保さ
れる。
【００１６】そして、変位部（２２）の屈曲振動におけ
る固有振動数がワイヤボンディングの際に印加される振
動数とは異なるため、ワイヤボンディングの振動によっ
て、該変位部が屈曲振動モードで共振することを防止で
きる。従って、本発明によれば、実動作時の変位部の振
動特性を確保しつつ、ワイヤボンディング時の変位部の
破損を防止することができる。
【００１７】ここで、請求項２の発明のように、ワイヤ
ボンディングの際に印加される振動数をω0としたと
き、変位部（２２）の屈曲振動における固有振動数を、
（２−２1/2）ω0以下または２1/2ω0以上であるように
することが好ましい。これは、振動に関する分野におい
ては、ある振動数ωによって振動体が共振しないように
するには、その振動体の固有振動数が、（２−２1/2）
ω以下または２1/2ω以上とするのが一般的であるため
である。
【００１８】また、請求項３の発明においては、変位部
（２２）は、上記の屈曲振動モードを有するものであ
り、ワイヤボンディングの際に印加される振動によって
該変位部が該屈曲振動モードにて共振しないように、梁
連結部（２２３）が調整された形状となっていることを
特徴としている。
【００１９】本発明においても、請求項１の発明と同
様、梁連結部（２２３）の形状調整は、該検出振動の特
性を支配する第１の梁（２２１）及び第２の梁（２２
２）には殆ど影響しない。そして、ワイヤボンディング
の際に印加される振動によって変位部（２２）が屈曲振
動モードにて共振しない。従って、本発明でも、実動作
時の変位部の振動特性を確保しつつ、ワイヤボンディン
グ時の変位部の破損を防止することができる。
【００２０】ここで、請求項４の発明のように、梁連結
部（２２３）の形状の調整は、変位部（２２）の長手方
向における該梁連結部の長さを調整することで可能であ
る。それにより、第１の梁（２２１）及び第２の梁（２
２２）の実質的な長さを変えることなく、変位部の屈曲
振動における固定端から自由端までの長さを調整するこ
とができるため、実動作時の変位部の振動特性を確保し
つつ、当該屈曲振動における固有振動数を容易に調整す
ることができる。
【００２１】また、請求項５の発明は、梁連結部（２２
３）に、その一部を除去することにより形成された貫通
孔（２２４）が備えられていることを特徴とする。変位
部の屈曲振動において、比較的低い振動数で振動が行わ
れる場合、梁連結部の重さが振動に影響する。このと
き、梁連結部が重いほど振幅が大きくなり、振幅が大き
くなりすぎると梁連結部がその周囲部分に当たる可能性
がある。
【００２２】その点、本発明によれば、梁連結部（２２
３）の一部を除去することにより貫通孔（２２４）を形
成し、梁連結部の重さを軽くすることができるため、そ
のような問題を回避しやすくなる。
【００２３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、容量式力学量センサ
として、差動容量式の半導体加速度センサについて本発
明を適用したものである。図１に半導体加速度センサ１
００の平面構成を示し、図２に図１中のＡ−Ａ線に沿っ
た模式的な断面構造を示す。この半導体加速度センサ１
００は、例えば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動
制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセン
サ等に適用できる。
【００２５】半導体加速度センサ（以下、単にセンサと
いう）１００は、半導体基板に周知のマイクロマシン加
工を施すことにより形成される。センサ１００を構成す
る半導体基板は、図２に示す様に、第１の半導体層とし
ての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第
２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１
３を有する矩形状のＳＯＩ基板（本発明でいう支持基
板）１０である。
【００２６】第２シリコン基板１２には、溝１４を形成
することにより、可動部としての可動電極２０、及び、
この可動電極２０と溝１４を介して区画された固定電極
３１、３２よりなる梁構造体が形成されている。また、
酸化膜１３のうち上記梁構造体２０、３１、３２の形成
領域に対応した部位は、犠牲層エッチング等により矩形
状に除去されて開口部１３ａを形成している。
【００２７】開口部１３ａ上を横断するように配置され
た可動電極２０は、矩形状の錘部２１を備えており、こ
の錘部２１の両端を、変位部２２を介してアンカー部２
３に一体に連結した構成となっている。両アンカー部２
３は、酸化膜１３における開口部１３ａの開口縁部に固
定され、第１シリコン基板１１上に支持されている。こ
れにより、錘部２１及び変位部２２は開口部１３ａに臨
んだ状態となっている。
【００２８】ここで、図３は図１中の変位部２２近傍の
拡大図である。両変位部２２は、互いに離間して平行に
配置された同一形状及び同一サイズの第１の梁２２１と
第２の梁２２２とが、互いの両端にて梁連結部２２３に
よって連結された矩形枠状をなしている。第１の梁２２
１は、その長手方向の中間部にて、アンカー部２３を介
してＳＯＩ基板（支持基板）１０に連結されて支持され
ている。また、第２の梁２２２は、その長手方向の中間
部にて、可動電極２０の錘部２１に連結されている。
【００２９】この変位部２２は、図１及び図３中の矢印
Ｙにて示す梁２２１、２２２の長手方向と直交する方向
（以下、Ｙ方向という）に変位するバネ機能を有する。
具体的には、図４（ａ）に模式的に示す様に、Ｙ方向の
成分を含む加速度を受けたときに、第１及び第２の梁２
２１、２２２が、梁連結部２２３を固定端として、Ｙ方
向にて互いに近づいたり離れたりするように振動する
（検出振動モード）。
【００３０】このように、錘部２１は、加速度の印加に
応じて、検出振動モードにて変位可能となっている。ま
た、矩形状の錘部２１におけるＹ方向に平行な両辺（図
１中の左右両側の辺）には、それぞれ、突出電極部２４
が、Ｙ方向と直交する方向において、互いに反対方向へ
櫛歯状に突出して一体に形成されている。
【００３１】図１では、突出電極部２４は、錘部２１の
左側及び右側に各々４個ずつ突出して形成され、個々の
突出電極部２４は断面矩形の梁状に形成されて、開口部
１３ａに臨んだ状態となっている。このように、錘部２
１と突出電極部２４とは一体に形成されて可動電極２０
を構成している。
【００３２】固定電極３１、３２は、錘部２１を挟んで
錘部２１の左右両側に設けられ、各突出電極部２４によ
って構成される櫛歯の隙間に噛み合うように、突出電極
部２４に対向して配置されている。そして、固定電極３
１、３２は、開口部１３ａの開口縁部にて、酸化膜１３
を介して第１シリコン基板１１に支持されている。
【００３３】詳しく言うと、固定電極３１、３２におけ
る個々の電極（図示例では４個ずつ）は断面矩形の梁状
に形成されており、第１シリコン基板１１に片持ち状に
支持された状態で、開口部１３ａに臨んだ状態となって
いる。そして、固定電極３１、３２における個々の電極
の側面は、個々の突出電極部２４の側面と所定の間隔
（検出間隔）４０を存して平行した状態で対向配置され
ている。
【００３４】ここで、固定電極３１、３２のうち、図１
中の左側に位置するものを第１の固定電極３１、右側に
位置するものを第２の固定電極３２とする。これら第１
の固定電極３１と第２の固定電極３２とは、互いに電気
的に独立しており、各々、第２シリコン基板１２に形成
された配線部３１ａ、３２ａに電気的に導通している。
【００３５】また、各配線部３１ａ、３２ａ上の所定位
置には、それぞれワイヤボンディング用の固定電極パッ
ド３１ｂ、３２ｂが形成されている。また、一方のアン
カー部２３と一体に連結された状態で、可動電極用配線
部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置
には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２５ａが
形成されている。これらパッド２５ａ、３１ｂ、３２ｂ
により、可動電極２０及び固定電極３１、３２は外部と
電気的に接続される。
【００３６】なお、図１中、上記各電極パッド２５ａ、
３１ｂ、３２ｂとは電気的に独立して、電極パッド３３
ａ、３３ｂが第２シリコン基板１２に形成されている。
この電極パッド３３ａ、３３ｂは、センサ１００の動作
中に、可動電極２０に余分な信号が加わらないように、
変位部２２の周辺の第２シリコン基板１２を一定の電位
に維持しておくためのものである。上記の各電極パッド
２５ａ、３１ｂ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、例えばア
ルミニウムにより形成されている。
【００３７】更に、錘部２１、突出電極部２４、及び各
固定電極３１、３２には、開口部１３ａ側から反対側に
貫通する矩形状の貫通孔５０が複数形成されており、こ
れら貫通孔５０により、矩形枠状部を複数組み合わせた
所謂ラーメン構造形状が形成されている。これにより、
可動電極２０及び各固定電極３１、３２の軽量化、捩じ
り強度の向上がなされている。
【００３８】また、図２に示す様に、本センサ１００
は、第１シリコン基板１１の裏面（酸化膜１３とは反対
側の面）側において接着剤６０を介してパッケージ７０
に接着固定されている。このパッケージ７０には、後述
する回路手段８０が収納されている。そして、この回路
手段８０と上記の各電極パッド２５ａ、３１ｂ、３２
ｂ、３３ａ、３３ｂとは、金もしくはアルミニウムのワ
イヤボンディングにより形成されたワイヤ（図示せず）
により電気的に接続されている。
【００３９】このような構成においては、第１の固定電
極３１と突出電極部２４との検出間隔４０に第１の容量
（ＣＳ１とする）、第２の固定電極３２と突出電極部２
４との検出間隔４０に第２の容量（ＣＳ２とする）が形
成されている。そして、加速度を受けると、変位部２２
のバネ機能により、可動電極２０全体が一体的に、上記
した検出振動モードにて振動し、Ｙ方向へ変位する。
【００４０】このとき、可動電極２０の変位に応じて検
出間隔４０が変化し、上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化
する。そして、上記検出回路８０は、突出電極部２４と
固定電極３１、３２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）
の変化に基づいて加速度を検出する。
【００４１】図５に、本センサ１００の検出回路図を示
す。検出回路８０において、８１はスイッチドキャパシ
タ回路（ＳＣ回路）であり、このＳＣ回路８１は、容量
がＣｆであるコンデンサ８２、スイッチ８３及び差動増
幅回路８４を備え、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ
２）を電圧に変換するものである。
【００４２】なお、ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３は寄生容量
を示している。ＣＰ１は第１の固定電極３１の配線部３
１ａと第１シリコン基板１１との間の容量、ＣＰ２は第
２の固定電極３２の配線部３２ａと第１シリコン基板１
１との間の容量、ＣＰ３は可動電極２４の配線部２５と
第１シリコン基板１１との間の容量である。
【００４３】また、この検出回路８０に対するタイミン
グチャートの一例を図６に示す。上記センサ１００にお
いては、例えば、固定電極パッド３１ｂから搬送波１
（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）、固定
電極パッド３２ｂから搬送波１と位相が１８０°ずれた
搬送波２（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５
Ｖ）を入力し、ＳＣ回路８１のスイッチ８３を図に示す
タイミングで開閉する。そして、印加加速度は、下記の
数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。な
お、数式１中、Ｖは両パッド３１ｂ、３２ｂの間の電圧
差である。
【００４４】
【数１】V0＝｛（CS1 −CS2 ）+ （CP1 −CP2 ）・CP3
｝・V ／Cf ところで、上記センサ１００は、周知の半導体製造技術
を用いてＳＯＩ基板１０に梁構造体２０、３１、３２を
形成した後、回路手段８０と各電極パッド２５ａ、３１
ｂ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂとを、ワイヤボンディング
することにより結線することで製造される。
【００４５】このワイヤボンディングを行う際には、こ
のワイヤボンディングの振動が変位部２２に印加され
る。本実施形態では、このとき、梁２２１、２２２が共
振して梁連結部２２３が、その周囲の溝１４を介して対
向する部分に当たり変位部２２が破損するのを防止する
ために、梁連結部２２３の形状を調整することでワイヤ
ボンディングの振動数と変位部２２の梁２２１、２２２
の固有振動数とを異ならせている。
【００４６】本発明者の検討の結果、実動作時（検出振
動時）とワイヤボンディング時とでは、変位部２２の振
動モードが異なることがわかった。実動作時の変位部２
２は、上述したように、第１及び第２の梁２２１、２２
２が、梁連結部２２３を固定端として、Ｙ方向にて互い
に近づいたり離れたりするように振動する（図４（ａ）
参照、検出振動モード）。
【００４７】一方、ワイヤボンディング時の変位部２２
は、図４（ｂ）に示す様に、第１の梁２２１におけるア
ンカー部２３との連結部（本発明でいう支持基板との連
結部）及び第２の梁２２２における錘部２１との連結部
（本発明でいう可動電極との連結部）を固定端とし、梁
連結部２２３を自由端として、第１の梁２２１及び第２
の梁２２２が同一方向へ屈曲する屈曲振動を行う（屈曲
振動モード）。
【００４８】また、これら２つの振動モードにおいて、
梁２２１、２２２のバネ定数をＫ、振動体の質量をｍと
すると、変位部２２を構成する梁２２１、２２２の固有
振動数は、（Ｋ／ｍ）1/2で決定される。ここで、図３
に示す様に、第１及び第２の梁２２１、２２２の長手方
向の長さをＬ1、第１及び第２の梁２２１、２２２の幅
をＷ1、梁連結部２２３の長さをＬ2とする。
【００４９】また、第１及び第２の梁２２１、２２２の
厚さ（梁連結部２２３の厚さも略同じ）をｈ、第１及び
第２の梁２２１、２２２のヤング率をＥとする。このよ
うにしたとき、検出振動モード、屈曲振動モードのバネ
定数Ｋ1、Ｋ2はそれぞれ、次の数式２のように示され
る。
【００５０】
【数２】Ｋ1＝（２・Ｅ・ｈ・Ｗ1 3）／Ｌ1 3 Ｋ2＝（Ｅ・ｈ・Ｗ1 3）／４・（Ｌ1＋Ｌ2）3 一般に容量式力学量センサの変位部においては、梁連結
部の長さＬ2は梁の長さＬ1に比べて小さいため、上記数
式２から、屈曲振動モードのバネ定数Ｋ2は、検出振動
モードのバネ定数Ｋ1よりも一桁近く小さくなることが
わかる。
【００５１】また、検出振動モードでは、振動体の質量
ｍは変位部２２だけでなく、変位部２２に比べて非常に
重い可動電極２０の質量も含むのに対し、屈曲振動モー
ドでは、該質量ｍは実質的に変位部２２の質量のみであ
る。そのため、検出、屈曲の両振動モードにおける梁の
固有振動数には、バネ定数Ｋの相違よりも、振動体の質
量ｍの相違が支配的となる。
【００５２】そのため、屈曲振動モードにおける梁の固
有振動数ω2は、検出振動モードにおける梁の固有振動
数ω1よりも１桁程度大きくなる。例えば、固有振動数
ω1は０〜１０ｋＨｚ以下、固有振動数ω2は数１０ｋＨ
ｚ以上である。よって、例えば６０ｋＨｚまたは１２０
ｋＨｚと高いワイヤボンディングの振動数と一致しやす
くなるのは、屈曲振動モードにおける梁の固有振動数ω
2である。
【００５３】こうしたことを鑑み、本実施形態では、こ
の屈曲振動の固有振動数ω2をワイヤボンディングの際
に印加される振動数とは異ならせ、ワイヤボンディング
時に変位部２２が屈曲振動モードで共振しないように、
尚且つ、実動作時の検出振動の振動特性が確保できるよ
うに、変位部２２を構成している。
【００５４】即ち、本実施形態では、変位部２２の屈曲
振動における固有振動数ω2がワイヤボンディングの際
に印加される振動数とは異なるように、梁連結部２２３
が調整された形状となっている。それによれば、検出振
動時（実動作時）において固定端となる梁連結部２２３
の形状を調整するだけであるので、この梁連結部２２３
の形状調整は、検出振動の特性を支配する第１の梁２２
１及び第２の梁２２２には殆ど影響しない。そのため、
実動作時の変位部２２の振動特性は確保される。
【００５５】そして、変位部２２の屈曲振動における固
有振動数ω2がワイヤボンディングの際に印加される振
動数とは異なるため、ワイヤボンディングの振動によっ
て、変位部２２が屈曲振動モードで共振することを防止
でき、梁連結部２２３がその周囲部分に当たるのを防止
できる。従って、本実施形態によれば、実動作時の変位
部２２の振動特性を確保しつつ、ワイヤボンディング時
の変位部２２の破損を防止することができる。
【００５６】ここで、ワイヤボンディングの際に印加さ
れる振動数をω0としたとき、変位部２２の屈曲振動に
おける固有振動数ω2は、ω2≦（２−２1/2）ω0、２
1/2ω0≦ω2の範囲にあることが好ましい。これは、振
動に関する分野においては、ある振動数ωによって振動
体が共振しないようにするには、その振動体の固有振動
数が、（２−２1/2）ω以下または２1/2ω以上とするの
が一般的であるためである。
【００５７】具体的に、梁連結部２２３の形状の調整
は、変位部２２の長手方向における梁連結部２２３の長
さＬ2や梁連結部２２３の重さを調整することで可能で
ある。それにより、第１の梁２２１及び第２の梁２２２
の長さＬ1を変えることなく、上記屈曲振動における固
定端から自由端までの長さ（Ｌ1＋Ｌ2）を調整すること
ができる。
【００５８】そのため、検出振動の固有振動数ω1を変
えずに実動作時の変位部２２の振動特性を確保しつつ、
屈曲振動における固有振動数ω2を容易に調整すること
ができる。例えば、梁連結部２２３の長さＬ2を長くす
れば、変位部２２の全体の長さ（Ｌ1＋Ｌ2）も長くな
り、屈曲振動モードにおける固有振動数ω2を低くする
ことができる。
【００５９】本センサ１００において、上記した変位部
２２の各パラメータの一例を示すと、第１及び第２の梁
のヤング率Ｅが約１．７×１０11Ｐａ、第１及び第２の
梁の厚さｈが約１５μｍ、第１及び第２の梁の幅Ｗ1が
約４μｍ、第１及び第２の梁の長さＬ1が約２９０μ
ｍ、梁連結部の長さＬ2が約１８μｍである。
【００６０】また、本センサ１００では、梁連結部２２
３に、その一部を除去することにより形成された貫通孔
２２４が備えられている。この貫通孔２４は、上記貫通
孔５０と同様に、第２シリコン基板１２の厚さ方向に貫
通する孔であり、図示例では、梁連結部２２３一箇所に
つき２個設けられている。この貫通孔２２４を設けたの
は、本発明者の次のような検討によるものである。
【００６１】変位部２２の屈曲振動において、比較的高
い周波数（例えば約１００ｋＨｚ）では、自由端である
梁連結部２２３の重さは振動に影響しないが、比較的低
い振動数（例えば約５０ｋＨｚ）で振動が行われる場
合、梁連結部２２３の重さが振動に影響する。
【００６２】後者の場合、梁連結部２２３が重いほど屈
曲振動の振幅が大きくなり、振幅が大きくなりすぎると
梁連結部２２３がその周囲の溝１４を介して対向する部
分に当たる可能性がある。その点、梁連結部２２３の一
部を除去することにより貫通孔２２４を形成すれば、梁
連結部２２３を軽くすることができるため、そのような
問題を回避しやすくなり、好ましい。ただし、本実施形
態にて貫通孔２２４は、無くても良い。
【００６３】更に、この貫通孔２２４を、梁連結部２２
３に少なくとも１個（図示例では２個）以上設けること
により、梁連結部２２３は、２個（図示例では３個）以
上のビームで第１の梁２２１の一端部と第２の梁２２２
の一端部とを連結した形となる。それにより、１個のビ
ームで連結する場合（貫通孔２２４の無い場合）に比べ
て、梁連結部２２３の剛性が高くなる。
【００６４】梁連結部２２３は、実動作時、常に固定端
として応力が作用する。そのため、梁連結部２２３の剛
性を高くしないと、梁連結部２２３が上記Ｙ方向（感度
軸方向）とは異なる方向へ変形し、Ｙ方向以外の他軸に
て感度（他軸感度）が発生しやすくなる。そのため、梁
連結部２２３は、本例のように複数ビーム構造として剛
性を高くすることが好ましい。
【００６５】なお、本発明は上記半導体加速度センサ１
００に適用するものに限らず、第１、第２の梁及び梁連
結部よりなる矩形状の変位部を備え、この変位部によっ
て可動電極を振動させ、可動電極と対向する固定電極と
の間の容量変化に基づいて力学量を検出するものであれ
ば、圧力センサ、ヨーレートセンサなどの力学量センサ
にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体加速度センサの
平面構成図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の変位部近傍の拡大図である。
【図４】変位部の振動モードの模式的説明図である。
【図５】図１に示す半導体加速度センサの検出回路図で
ある。
【図６】図５に示す検出回路に対するタイミングチャー
トの一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板、２
０…可動電極、２２…変位部、２５ａ…可動電極パッ
ド、３１、３２…固定電極、３１ｂ、３２ｂ…固定電極
パッド、２２１…第１の梁、２２２…第２の梁、２２３
…梁連結部、２２４…貫通孔。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 支持基板（１０）と、 中間部にて前記支持基板に連結されて支持された第１の
    梁（２２１）、この第１の梁と離間して平行に配置され
    た第２の梁（２２２）、及び、これら第１及び第２の梁
    の両端部を連結する梁連結部（２２３）を備えた枠形状
    をなす変位部（２２）と、 前記第２の梁の中間部に連結された可動電極（２０）
    と、 前記支持基板に支持され、前記可動電極に対向して配置
    された固定電極（３１、３２）と、 前記支持基板に形成され、前記可動電極及び前記固定電
    極を外部と電気的に接続するためのワイヤボンディング
    用の電極パッド（２５ａ、３１ｂ、３２ｂ）とを備え、 力学量が印加されたとき、前記変位部における前記第１
    及び第２の梁が、その長手方向と直交する方向に前記梁
    連結部を固定端として検出振動を行い、 この検出振動に応じて前記可動電極が変位することによ
    り生じる前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化
    に基づいて印加力学量を検出する容量式力学量センサに
    おいて、 前記変位部は、前記第１の梁における前記支持基板との
    連結部及び前記第２の梁における前記可動電極との連結
    部を固定端とし、前記梁連結部を自由端として、前記第
    １及び前記第２の梁が同一方向へ屈曲する屈曲振動がで
    きるようになっており、 前記変位部の前記屈曲振動における固有振動数が前記ワ
    イヤボンディングの際に印加される振動数とは異なるよ
    うに、前記梁連結部が調整された形状となっていること
    を特徴とする容量式力学量センサ。
  2. 【請求項２】 前記ワイヤボンディングの際に印加され
    る振動数をω0としたとき、前記変位部（２２）の前記
    屈曲振動における固有振動数は、（２−２1/ 2）ω0以下
    または２1/2ω0以上であることを特徴とする請求項１に
    記載の容量式力学量センサ。
  3. 【請求項３】 支持基板（１０）と、 中間部にて前記支持基板に連結されて支持された第１の
    梁（２２１）、この第１の梁と離間して平行に配置され
    た第２の梁（２２２）、及び、これら第１及び第２の梁
    の両端部を連結する梁連結部（２２３）を備えた枠形状
    をなす変位部（２２）と、 前記第２の梁の中間部に連結された可動電極（２０）
    と、 前記支持基板に支持され、前記可動電極に対向して配置
    された固定電極（３１、３２）と、 前記支持基板に形成され、前記可動電極及び前記固定電
    極を外部と電気的に接続するためのワイヤボンディング
    用の電極パッド（２５ａ、３１ｂ、３２ｂ）とを備え、 力学量が印加されたとき、前記変位部における前記第１
    及び第２の梁が、その長手方向と直交する方向に前記梁
    連結部を固定端として検出振動を行い、 この検出振動に応じて前記可動電極が変位することによ
    り生じる前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化
    に基づいて印加力学量を検出する容量式力学量センサに
    おいて、 前記変位部は、前記第１の梁における前記支持基板との
    連結部及び前記第２の梁における前記可動電極との連結
    部を固定端とし、前記梁連結部を自由端として、前記第
    １及び前記第２の梁が同一方向へ屈曲する屈曲振動モー
    ドを有するものであり、 前記ワイヤボンディングの際に印加される振動によって
    前記変位部が前記屈曲振動モードにて共振しないよう
    に、前記梁連結部が調整された形状となっていることを
    特徴とする容量式力学量センサ。
  4. 【請求項４】 前記梁連結部（２２３）の形状の調整
    は、前記変位部（２２）の長手方向における前記梁連結
    部の長さを調整することを特徴とする請求項１ないし３
    のいずれか１つに記載の容量式力学量センサ。
  5. 【請求項５】 前記梁連結部（２２３）には、その一部
    を除去することにより形成された貫通孔（２２４）が備
    えられていることを特徴とする請求項１ないし４のいず
    れか１つに記載の容量式力学量センサ。
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