JP2012242201A - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出範囲によらず、適切な自己診断を行うことのできる容量式物理量検出装置を提供する。
【解決手段】可動部２０と、可動部２０の変位方向に対向して配置され、可動部２０と共に第１容量部１６ａ、１６ｂを構成する第１固定部３０、４０と、可動部２０の変位方向と垂直方向に対向して配置され、可動部２０と共に第２容量部１７を構成する第２固定部１７とを備える。そして、自己診断時に、第１容量部１６ａ、１６ｂに第１変位信号を印加して第１容量部１６ａ、１６ｂで発生する静電気力によって可動部２０を当該可動部２０の変位方向に変位させ、第２容量部１７に第２変位信号を印加して第２容量部１７で発生する静電気力によって可動部２０を垂直方向に変位させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、加速度、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に関するものである。

従来より、物理量を検出する容量式物理量検出装置として、例えば、特許文献１に自己診断を行うことのできる加速度センサが提案されている。具体的には、この加速度センサは、加速度の印加に応じて弾性的に変位する梁部に一体成型された可動電極と、この可動電極に対向配置された２つの固定電極とを備え、これら可動電極と固定電極との間に形成された２つの容量差をＣ−Ｖ変換して出力を計測するようになっている。

また、この加速度センサは、周期的に変化する信号であり、物理量を検出するための検出信号と周期的に変化する信号であって自己診断を行うための自己診断信号とを切り替えて可動電極と固定電極との間に印加する自己診断信号印加手段を備えている。そして、自己診断時には、可動電極と固定電極との間に自己診断信号を印加することによって、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させて可動電極を変位させている。

これによれば、自己診断時には、静電気力にて可動電極を変位させているため、可動電極の変位をＣ−Ｖ変換回路の出力電圧に基づいて検出することによって自己診断を行うことができる。

特開２００１−９１５３５号公報

しかしながら、上記のような加速度センサでは、２００〜４００Ｇ程度の大きな加速度を検出する場合には、梁部の剛性を高くしたりして当該梁部を変位しにくくしている。このため、自己診断においては、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させて可動電極を変位させ、可動電極の変位（容量変化）を電圧に変換することで自己診断を行っていたが、梁部の剛性が高くなると自己診断時における可動電極の変位量が小さくなって自己診断に必要な出力を得ることができなくなる、または得にくくなるという問題がある。

なお、上記では、加速度を検出する加速度センサを例に挙げて説明したが、可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて角速度や圧力等を検出するセンサについても同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、検出範囲によらず、適切な自己診断を行うことのできる容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量に応じて所定方向へ変位する可動部（２０）と、可動部（２０）に対向して配置され、可動部（２０）と共に第１容量部（１６ａ、１６ｂ）を構成する第１固定部（３０、４０）と、可動部（２０）に対して所定方向と垂直方向に対向して配置され、可動部（２０）と共に第２容量部（１７）を構成する第２固定部（１１、９０）と、自己診断時には、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に可動部（２０）を変位させるための第１変位信号を印加すると共に第２容量部（１７）に可動部（２０）を変位させるための第２変位信号を印加した後、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に当該第１容量部（１６ａ、１６ｂ）の容量変化を検出するための検出信号を印加する自己診断信号印加手段（２２０）と、検出信号が第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に印加されているときに、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１０）と、を備え、可動部（２０）は、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に第１変位信号が印加されると第１容量部（１６ａ、１６ｂ）で発生する静電気力によって所定方向に変位し、第２容量部（１７）に第２変位信号が印加されると、第２容量部（１７）で発生する静電気力によって垂直方向に変位することを特徴としている。

このような容量式物理量検出装置では、自己診断時には、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）容量は、可動部（２０）が所定方向に変位して間隔が変化することに伴って変化すると共に可動部（２０）が垂直方向に変位して対向面積が変化することに伴って変化する。このため、従来の容量式物理量検出装置と比較して、自己診断時における容量の変化を大きくすることができる。したがって、例えば、大きな加速度を検出する加速度センサにおいても、自己診断の感度を確保することができ、適切な自己診断を行うことができる。

また、請求項２に記載の発明のように、可動部（２０）は可動電極（２４）を有し、第１固定部（３０、４０）は固定電極（３１、４１）を有し、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）は、可動電極（２４）および固定電極（３１、４１）によって構成されるものとすることができる。

この場合、請求項３に記載の発明のように、可動電極（２４）を櫛歯構造とし、固定電極（３１、４１）を可動電極（２４）の櫛歯の隙間にかみ合う櫛歯構造とすることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、第２固定部としての支持基板（１１）と、支持基板（１１）上に配置される埋込絶縁膜（１２）と、埋込絶縁膜（１２）を挟んで支持基板（１１）と反対側に配置される半導体層（１３）と、を有する半導体基板（１０）を備え、半導体層（１３）は、可動部（２０）および第１固定部（３０、４０）が形成されていると共に、可動部（２０）および第１固定部（３０、４０）を囲み、埋込絶縁膜（１２）を介して支持基板（１１）に支持されている周辺固定部（５０）が構成されているものとすることができる。そして、支持基板（１１）は、周辺固定部（５０）に電圧が印加されると所定電圧に固定されて可動部（２０）と共に第２容量部（１７）を構成するものとすることができる。

さらに、請求項５に記載の発明のように、半導体層（１３）には可動部（２０）および固定部（３０、４０）を覆う蓋部（８０）が備えられ、蓋部（８０）のうち可動部（２０）と対向する部分には第２固定部としての自己診断用電極（９０）が形成されているものとすることができる。そして、第２容量部（１７）は、可動部（２０）と支持基板（１１）とによって構成されていると共に、可動部（２０）と自己診断用電極（９０）とによって構成されるものとすることができる。

この場合、請求項６に記載の発明のように、自己診断信号印加手段（２２０）は、自己診断時において、第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に第１変位信号を印加すると共に、可動部（２０）と支持基板（１１）とによって構成される第２容量部（１７）または可動部（２０）と自己診断用電極（９０）とによって構成される第２容量部（１７）のいずれか一方に第２変位信号を印加した後に第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に検出信号を印加し、続いて第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に第１変位信号を印加すると共に、可動部（２０）と支持基板（１１）とによって構成される第２容量部（１７）または可動部（２０）と自己診断用電極（９０）とによって構成される第２容量部（１７）の他方に第２変位信号を印加した後に第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に検出信号を印加するものとすることができる。

これによれば、可動部（２０）は、支持基板（１１）側および自己診断用電極（９０）側に交互に引き寄せられることになる。このため、例えば、可動部（２０）が支持基板（１１）側に引き寄せられたときの容量と、自己診断用電極（９０）側に引き寄せられたときの容量とを比較することによって、可動部（２０）上、または支持基板（１１）と可動部（２０）との間にゴミ等の異物が付着しているか否かを容易に判定することができる。

また、請求項７に記載の発明のように、半導体基板（１０）を備え、半導体基板（１０）の一面側には、可動部（２０）および第１固定部（３０、４０）が形成されていると共に、可動部（２０）および第１固定部（３０、４０）を覆う蓋部（８０）が備えられており、蓋部（８０）のうち可動部（２０）と対向する部分には第２固定部としての自己診断用電極（９０）が形成されており、第２容量部（１７）は、可動部（２０）と自己診断用電極（９０）とによって構成されるものとすることができる。

そして、請求項８に記載の発明のように、可動部（２０）に対して、自己診断時には、ｎを自然数としたとき、自己診断信号印加手段（２２０）から可動部（２０）の変位方向と垂直方向における共振周波数のｎ倍、または、（１／ｎ）倍の周波数を有する信号を印加することができる。

これによれば、可動部（２０）には垂直方向における共振周波数のｎ倍、または、（１／ｎ）倍の周波数が印加されるため、可動部（２０）の垂直方向における変位を大きくすることができる。

また、請求項９に記載の発明のように、検出する物理量を加速度とすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の第１実施形態における加速度センサの平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿った断面構成を示す図である。 回路手段の構成を示す図である。 図１に示す加速度センサの作動時のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態における加速度センサの断面構成を示す図である。 図５に示す加速度センサの作動時のタイミングチャートである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、容量式物理量検出装置として、差動容量式の加速度センサに本発明を適用したものである。図１は、加速度センサの平面図であり、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿った断面構成を示す図である。この加速度センサは、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されると好適である。

加速度センサ１００は、半導体基板１０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。本実施形態では、加速度センサ１００を構成する半導体基板１０は、図１および図２に示されるように、支持基板１１と、支持基板１１上に形成された埋込絶縁膜１２と、埋込絶縁膜１２を挟んで支持基板１１と反対側に配置された半導体層１３とを有するＳＯＩ基板とされている。なお、本実施形態では、半導体層１３の表面が本発明の半導体基板１０の一面に相当している。

半導体層１３には、溝部１４を形成することにより、可動部２０および固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。また、埋込絶縁膜１２のうち梁構造体２０〜４０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１５を形成している。

可動部２０は、開口部１５上を横断するように配置されており、矩形状の錘部２１の両端が梁部２２を介してアンカー部２３ａおよび２３ｂに一体に連結した構成とされている。アンカー部２３ａおよび２３ｂは、埋込絶縁膜１２における開口部１５の開口縁部に固定されて支持基板１１に支持されている。これによって、錘部２１および梁部２２は、開口部１５に臨んだ状態となっている。

梁部２２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁部２２は、図１中のｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１をｘ方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。したがって、このような梁部２２を介して半導体基板１０に連結された可動部２０は、加速度の印加に応じて、開口部１５上にて梁部２２の変位方向（ｘ方向）へ変位可能となっている。

ここで、図１および図２中のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向について説明する。上記のように、ｘ軸方向は梁部２２の変位方向であると共に、錘部２１および可動電極２４の変位方向である。また、ｙ軸方向は、半導体基板１０の面内においてｘ軸と直交する方向である。また、ｚ軸方向は、半導体基板１０の面方向と直交する方向である。

可動部２０は、梁部２２の変位方向（ｘ方向）と直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の可動電極２４を備えている。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側に各々４個ずつ突出して形成されており、断面矩形が梁状とされていると共に開口部１５に臨んだ状態となっている。このように、各可動電極２４は、梁部２２および錘部２１と一体的に形成され、梁部２２および錘部２１と共に梁部２２の変位方向へ変位可能となっている。

固定部３０、４０は、埋込絶縁膜１２における開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。ここで、固定部３０、４０は、錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に位置する固定部３０と、図１中の右側に位置する固定部４０とより成り、両固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。なお、本実施形態では、固定部３０、４０が本発明の第１固定部に相当している。

各固定部３０、４０は、可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極３１、４１と、埋込絶縁膜１２における開口部１５の開口縁部に固定されて支持基板１１に支持された配線部３２、４２とを有した構成となっている。すなわち、各固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されている。また、各固定電極３１、４１は断面矩形が梁状とされ、各配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっており、開口部１５に臨んだ状態となっている。

また、図１に示されるように、半導体基板１０における半導体層１３のうち可動電極２４および固定電極３１、４１の溝部１４を介した外周部は、周辺固定部５０として構成されている。この周辺固定部５０は、埋込絶縁膜１２を介して支持基板１１に固定されて支持されており、支持基板１１との対向面積が各電極２４、３１、４１と支持基板１１との対向面積に対して非常に大きくされている。

各固定部３０、４０の各配線部３２、４２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３２ａ、４２ａが形成されている。また、一方のアンカー部２３ｂ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、この可動電極用配線部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。さらに、周辺固定部５０の所定位置には、周辺固定部パッド５０ａが形成されている。上記各電極パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａは、例えば、アルミニウムをスパッタや蒸着すること等により形成されている。

また、図２に示されるように、加速度センサ１００は、支持基板１１の裏面（埋込絶縁膜１２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、後述する回路手段が収納されている。そして、この回路手段と上記の各電極パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａとは、金またはアルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワイヤＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４により電気的に接続されている。

このような構成においては、図１中にコンデンサ記号で示す様に、固定電極３１と可動電極２４とによって容量ＣＳ１を有する第１容量部１６ａが構成され、固定電極４１と可動電極２４とによって容量ＣＳ２を有する第１容量部１６ｂが構成されている。そして、加速度を受けると、梁部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体的にｘ方向へ変位し、可動電極２４の変位に応じて上記第１容量部１６ａ、１６ｂの容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。そして、上記回路手段は、第１容量部１６ａ、１６ｂの差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて加速度を検出する。

次に、回路手段の構成について説明する。図３は、回路手段の構成を示す図である。図３に示されるように、回路手段２００は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）２１０およびスイッチ回路２２０を有する。Ｃ−Ｖ変換回路２１０は、可動電極２４と固定電極３１、４１とからなる第１容量部１６ａ、１６ｂの容量変化を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器２１１、コンデンサ２１２、およびスイッチ２１３から構成されている。

演算増幅器２１１の反転入力端子は、可動電極パッド２５ａを介して可動電極２４に接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ２１２およびスイッチ２１３が並列に接続されている。また、演算増幅器２１１の非反転入力端子には、スイッチ回路２２０を介してＶ／２の電圧とＶ１の電圧のいずれかが入力されるようになっている。

スイッチ回路２２０は、Ｃ−Ｖ変換回路２１０における演算増幅器２１１の非反転入力端子に、図示しないそれぞれの電圧源からのＶ／２の電圧とＶ１（Ｖ／２とは異なる）の電圧のいずれかを入力するもので、スイッチ２２１とスイッチ２２２から構成されている。スイッチ２２１とスイッチ２２２は、一方が閉じているときに他方が開くようになっている。

また、回路手段２００は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は、固定電極パッド３２ａから、一定振幅Ｖで周期的に変化する搬送波Ｐ１を固定電極３１へ入力し、固定電極パッド４２ａから、搬送波Ｐ１と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖである搬送波Ｐ２を固定電極４１へ入力する。また、この制御回路は、上記の各スイッチ２１３、２２１、２２２の開閉を所定のタイミングにて制御できるようになっている。さらに、制御回路は、本実施形態では、周辺固定部パッド５０ａから周辺固定部５０にＶ／２の電圧を入力する。本実施形態では、この制御回路と上記スイッチ回路２２０とにより本発明の自己診断信号印加手段が構成されている。

続いて、上記加速度センサ１００の作動について説明する。図４は、加速度センサ１００のタイミングチャートである。まず、加速度センサ１００の通常作動時の作動について説明する。

自己診断信号印加手段としての上記制御回路から出力される搬送波Ｐ１（例えば、周波数１００ｋＨｚ、振幅０〜５Ｖ）は、図４に示すように、期間φ１を１周期（例えば１０μｓ）としてハイレベルとローレベルが変化する一定振幅の矩形波信号となっており、搬送波Ｐ２は、搬送波Ｐ１に対して電圧レベルが反転した矩形波信号となっている。

また、通常動作時では、上記の各搬送波Ｐ１およびＰ２が固定電極３１、４１へ印加されているとき、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１は閉、スイッチ２２２は開になっている。それによって、演算増幅器２１１の非反転入力端子にＶ／２（例えば、２．５Ｖ）の電圧が印加され、可動電極２４にはＶ／２の一定電圧（可動電極信号）が印加されている。また、周辺固定部５０には、可動電極２４と同様に、制御回路からＶ／２（例えば、２．５Ｖ）の一定電圧が印加されている。

この状態において加速度が印加されていない場合には、固定電極３１と可動電極２４との電位差、および、固定電極４１と可動電極２４との電位差は、共にＶ／２となり、固定電極３１と可動電極２４との間の静電気力、および、固定電極４１と可動電極２４との間の静電気力は、略等しく釣り合っている。

また、通常動作時では、Ｃ−Ｖ変換回路２１０において、スイッチ２１３は図４に示すタイミングで開閉される。このスイッチ２１３が閉のとき（期間φ２）、コンデンサ２１２がリセットされる。一方、スイッチ２１３が開のときに、加速度検出が行われる。つまり、期間φ１のうち期間φ２以外の期間が加速度を検出する期間である。この検出期間において、Ｃ−Ｖ変換回路２１０からの出力電圧Ｖ０は、次の数式１で示される。

（数１）Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ’／Ｃｆ
ここで、Ｖ’は両パッド３２ａ、４２ａの間、すなわち、固定電極３１、４１の間の電圧であり、Ｃｆはコンデンサ２１２の容量である。

加速度が印加されると、各第１容量部１６ａ、１６ｂの容量ＣＳ１、ＣＳ２のバランスが変化する。すると、上記数式１に基づき容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた電圧が、加速度が印加されていないときの出力Ｖ０にバイアスとして加わった形で出力Ｖ０（例えば０〜５Ｖ）として出力される。この出力Ｖ０は、この後、増幅回路やローパスフィルタ等を備えた信号処理回路（図示せず）にて信号処理され、加速度検出信号として検出される。

次に、加速度センサ１００の自己診断時の作動について説明する。まず支持基板１１の電位について説明する。

本加速度センサ１００においては、固定電極３１と支持基板１１との間には寄生容量ＣＫ１が形成され、固定電極４１と支持基板１１との間には寄生容量ＣＫ２が形成され、可動電極２４と支持基板１１との間には寄生容量ＣＫ３が形成され、周辺固定部５０と支持基板１１との間には寄生容量ＣＫ４が形成されている。この場合、周辺固定部５０と支持基板１１との間には埋込絶縁膜１２が存在すること、周辺固定部５０と支持基板１１との対向面積が各電極２４、３１、４１と支持基板１１との対向面積に対して非常に大きいことから、寄生容量ＣＫ４が他の寄生容量ＣＫ１〜ＣＫ３に対して非常に大きくなる。このため、支持基板１１の電位は、容量カップリングによって周辺固定部５０と同電位に引き上げられて固定される。すなわち、支持基板１１にはＶ／２の電圧が印加されている状態となる。

そして、自己診断時では、自己診断信号印加手段としての上記制御回路により、図４に示す様に、一定振幅Ｖ（図示例では振幅０〜５Ｖ）の矩形波信号である搬送波Ｐ１およびＰ２が入力される。ここで、期間φ３（例えば１００μｓ）において、搬送波Ｐ１と搬送波Ｐ２とは、互いに電圧レベルが反転した一定電圧信号（例えば搬送波Ｐ１が５Ｖ、搬送波Ｐ２が０Ｖ）となっている。

また、この期間φ３では、つまり上記各搬送波Ｐ１およびＰ２が固定電極３１、４１へ印加されているときでは、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１は開、スイッチ２２２は閉になっている。そのため、演算増幅器２１１の非反転入力端子へ、Ｖ／２とは異なるＶ１（例えば３Ｖ）の電圧が印加され、可動電極２４には、この電圧Ｖ１が可動電極信号として印加されている。

そして、可動電極２４に電圧Ｖ１が印加されると、上記通常動作時における静電気力の釣り合いが崩れ、可動電極２４は、固定電極３１、４１のうち可動電極２４との間の電位差が大きい方の固定電極へ引き寄せられる。すなわち、図４に示されるように静電気力Ｆｘが発生し、可動電極２４が図１および図２中のｘ方向に変位する。図４に示す例では、可動電極２４と固定電極４１の電位差が可動電極２４と固定電極３１の電位差より大きいため、固定電極４１の方へ引き寄せられるように梁部２２がたわみ、それと一体的に可動電極２４が固定電極４１側に変位する。

また、上記のように、支持基板１１はＶ／２の電圧が印加されている状態となっているため、可動電極２４に電圧Ｖ１が印加されると、可動電極２４と支持基板１１との間に静電気力（図４中静電気力Ｆｚ）が発生し、可動電極２４は支持基板１１側へ引き寄せられる。すなわち、可動電極２４が支持基板１１（半導体基板１０）の面方向と垂直方向、つまり図１および図２中のｚ方向に変位する。つまり、本実施形態では、支持基板１１が本発明の第２固定部に相当しており、支持基板１１と可動部２０とによって第２容量部１７が構成されている。

このように、期間φ３は、可動電極２４を変位させる期間である。なお、期間φ３においては、Ｃ−Ｖ変換回路２１０のスイッチ２１３は閉であるため、コンデンサ２１２がリセット状態にある。

次に、期間φ４（例えば１０μｓ）は、上記期間φ１と同様の信号波形を、可動電極２４と固定電極３１、４１との間に印加することにより、直前の期間φ３にて変位させた可動電極２４と固定電極３１、４１との間の容量、つまり第１容量部１６ａ、１６ｂの容量を検出する期間である。すなわち、Ｃ−Ｖ変換回路２１０のスイッチ２１３を所定期間（期間φ２）後に開から閉としてコンデンサ２１２を加速度検出可能な状態と同じにする。また、上記通常動作時と同様の搬送波Ｐ１およびＰ２を印加する。そして、スイッチ回路２２０においてスイッチ２２１を閉、スイッチ２２２を開として可動電極２４にＶ／２（例えば２．５Ｖ）の一定電圧を可動電極信号として印加する。

すると、この期間φ４にて、例えば、固定電極３１の方へ引き寄せられていると共に支持基板１１の方へ引き寄せられていた可動電極２４が元の位置に戻ろうとするため、この容量変化に応じてＣ−Ｖ変換回路２１０のコンデンサ２１２に電荷が発生し、期間φ３にて変位させた可動電極２４と固定電極３１、４１の容量変化を検出することができる。このように、期間（φ３＋φ４）を１周期とした自己診断信号（上記搬送波、可動電極信号、周辺固定部信号）を可動電極２４と固定電極３１、４１との間に印加することにより、自己診断が可能となっている。

なお、上記のように、支持基板１１は通常動作時および自己診断時においてＶ／２の電圧が印加されている状態となっているが、通常動作時では可動電極２４にもＶ／２の電圧が印加されており、支持基板１１と可動電極２４とが同電位となるため、支持基板１１と可動電極２４との間に静電気力は発生していない。

また、本実施形態では、期間φ３に可動電極２４と固定電極３１、４１との間（第１容量部１６ａ、１６ｂ）に印加される信号が本発明の第１変位信号に相当しており、期間φ３に可動電極２４と支持基板１１（周辺固定部５０）との間（第２容量部１７）に印加される信号が本発明の第２変位信号に相当している。なお、上記のように、第１、第２変位信号における可動電極２４に印加される信号（可動電極信号）は同一の信号である。そして、期間φ４に可動電極２４と固定電極３１、４１との間（第１容量部１６ａ、１６ｂ）に印加される信号が本発明の検出信号に相当している。

また、本実施形態では、効率的な自己診断を可能とするために、自己診断時において、可動電極２４には、ｎを自然数とすると、ｚ方向の共振周波数のｎ倍、または（１／ｎ）倍の周波数を有する信号を回路手段２００から印加するようにしている。これによって、自己診断時に可動電極２４をｚ方向に大きく変位させることができる。また、より好ましくは、可動電極２４には、ｘ方向の共振周波数のｎ倍、または（１／ｎ）倍の周波数を有する信号を回路手段２００から印加されるようにするのがよい。これによって、自己診断時に可動電極２４をｘ方向に大きく変位させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、自己診断時には、自己診断信号が周期的に可動電極２４と固定電極３１、４１との間（第１容量部１６ａ、１６ｂ）に印加されると共に、可動電極２４と周辺固定部５０（支持基板１１）との間（第２容量部１７）に印加される。そして、可動電極２４と固定電極３１、４１との間に静電気力を発生させて可動電極２４をｘ方向に変位させると共に、可動電極２４と支持基板１１との間に静電気力を発生させて可動電極２４をｚ方向に変位させている。

このため、自己診断時では、可動電極２４と固定電極３１、４１との間の容量（第１容量部１６ａ、１６ｂの容量）は、可動電極２４がｘ方向に変位して間隔が変化することに伴って変化すると共に可動電極２４がｚ方向に変位して対向面積が変化することに伴って変化する。このため、従来の容量式物理量検出装置と比較して、自己診断時における容量の変化を大きくすることができる。したがって、大きな加速度を検出する加速度センサにおいても、自己診断の感度を確保することができ、適切な自己診断を行うことができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、可動電極２４および固定電極３１、４１を覆う蓋部を半導体層１３に接合し、蓋部に自己診断用電極を備えたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図５に示されるように、本実施形態の加速度センサ１００は、半導体層１３に可動電極２４および固定電極３１、４１を覆うように蓋部８０が接合されている。具体的には、蓋部８０は、各パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａを露出させるように半導体層１３に接合されている。

また、蓋部８０は、半導体層１３と対向する一面のうち、可動部２０と対向する部分に凹部８１が形成されている。そして、凹部８１の底面には、自己診断用電極９０が備えられている。この自己診断用電極９０は、蓋部８０に形成されたスルーホール等を介して回路手段２００と電気的に接続されており、回路手段２００から所定の信号が印加されるようになっている。

次に、本実施形態の自己診断時の作動について説明する。図６は、本実施形態における容量式物理量検出装置のタイミングチャートである。

図６に示されるように、自己診断信号印加手段としての上記制御回路により、期間φ３では、一定振幅Ｖ（図示例では振幅０〜５Ｖ）の矩形波信号である搬送波Ｐ１およびＰ２が入力されており、可動電極２４には、電圧Ｖ１（例えば、３Ｖ）が可動電極信号として印加されている。

また、周辺固定部５０（支持基板１１）には、上記第１実施形態と同様に、自己診断信号印加手段としての制御回路から電圧Ｖ／２（例えば、２．５Ｖ）が印加されている。そして、自己診断用電極９０には、自己診断信号印加手段としての制御回路から可動電極２４に印加される電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１が印加されている。すなわち、期間φ３では、可動電極２４は、固定電極４１側に引き寄せられていると共に支持基板１１側に引き寄せられている。

そして、期間φ４では、上記期間φ１と同様の信号波形を、可動電極２４と固定電極３１、４１との間に印加することにより、直前の期間φ３にて変位させた第１容量部１６ａ、１６ｂの容量を検出する。

その後、期間φ５では、周辺固定部５０（支持基板１１）には、自己診断信号印加手段としての制御回路から可動電極２４に印加する電圧Ｖ１（例えば、３Ｖ）と同じ電圧Ｖ１が印加される。すなわち、可動電極２４と支持基板１１との間に静電気力が発生しないようにしている。そして、自己診断用電極９０には、自己診断信号印加手段としての制御回路から可動電極２４に印加する電圧Ｖ１と異なる電圧Ｖ／２（例えば、２．５Ｖ）が印加される。すなわち、期間φ５では、可動電極２４は、固定電極４１側へ引き寄せられていると共に自己診断用電極９０側に引き寄せられている。つまり、可動電極２４は、期間φ５では、ｚ方向において、期間φ３と反対側に変位する。

続いて、期間φ６では、期間φ４と同様に、第１容量部１６ａ、１６ｂの容量を検出する。

なお、本実施形態では、支持基板１１および自己診断用電極９０が本発明の第２固定部に相当しており、支持基板１１と可動部２０とによって第２容量部１７が構成されていると共に自己診断用電極９０と可動部２０とによって第２容量部１７が構成されている。

また、期間φ３、期間φ５に可動電極２４と固定電極３１、４１との間（第１容量部１６ａ、１６ｂ）に印加される信号が本発明の第１変位信号に相当している。そして、期間φ３に可動電極２４と支持基板１１（周辺固定部５０）との間（第２容量部１７）に印加される信号が本発明の第２変位信号に相当しており、期間φ５に可動電極２４と自己診断用電極９０との間（第２容量部１７）に印加される信号が本発明の第２変位信号に相当している。なお、上記のように、第１、第２変位信号における可動電極２４に印加される信号（可動電極信号）は同一の信号である。また、期間φ４、期間φ６に可動電極２４と固定電極３１、４１との間（第１容量部１６ａ、１６ｂ）に印加される信号が本発明の検出信号に相当している。

このような加速度センサ１００では、自己診断時には、可動電極２４は、支持基板１１側および自己診断用電極９０側に交互に引き寄せられることになる。このため、例えば、可動電極２４が支持基板１１側に引き寄せられたときの容量と可動電極２４が自己診断用電極９０側に引き寄せられたときの容量とを比較することによって、可動電極２４上、または可動電極２４と支持基板１１との間にゴミ等の異物が付着しているか否かを容易に判定することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、自己診断時において、周辺固定部５０（支持基板１１）にＶ／２の電圧を印加するものを説明したが、周辺固定部５０（支持基板１１）に印加する電圧は可動電極２４に印加する電圧と異なる電圧であればよい。すなわち、自己診断時において、周辺固定部５０（支持基板１１）にＶ（例えば、５Ｖ）の電圧を印加したり、周辺固定部５０をグランドに接続したりすることによって可動電極２４との間の電位差を大きくすることにより、ｚ方向の変位を大きくすることができる。

同様に、第２実施形態においても、周辺固定部５０（支持基板１１）に印加する電圧や自己診断用電極９０に印加する電圧は適宜変更可能である。

また、上記各実施形態では、通常動作時と自己診断時とで、可動電極２４に印加する電圧を変えて可動電極２４を変位させているが、固定電極３１、４１に印加する搬送波Ｐ１、Ｐ２において電圧を変えることにより、可動電極２４をｘ方向に変位させるようにしてもよい。この場合、上記第１実施形態では、周辺固定部５０に印加する電圧を変えて可動電極２４をｚ方向に変位させることができる。また、上記第２実施形態では、周辺固定部５０（支持基板１１）や自己診断用電極９０に印加する電圧を変えて可動電極２４をｚ方向に変位させることができる。

さらに、上記各実施形態では、自己診断時において、可動電極２４をｘ方向およびｚ方向に変位させるものについて説明したが、可動電極２４をｘ方向およびｙ方向に変位させるようにしてもよい。この場合は、例えば、図１において、固定電極３１、４１を３個ずつとし、固定電極３１、４１と対向配置されない可動電極２４に対して、埋込絶縁膜１２における開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に自己診断用電極を配置する。そして、自己診断時において、当該自己診断用電極と可動電極２４との間に静電気力を発生させて可動電極２４をｙ方向に変位させるようにしてもよい。

また、上記第２実施形態では、各パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａが蓋部８０から露出しているものを説明したが、各パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａは周辺固定部５０と共に蓋部８０と接合されていてもよい。この場合は、蓋部８０にスルーホール等を形成し、当該スルーホールが各パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａと電気的に接続されるように蓋部８０を配置してスルーホールを介して各パッド２５ａ、３２ａ、４２ａ、５０ａと回路手段２００とが電気的に接続されるようにすればよい。

さらに、上記第２実施形態では、自己診断時には、可動電極２４と自己診断用電極９０との間にのみ静電気力を発生させるようにし、可動電極２４と支持基板１１との間に静電気力を発生させないようにしてもよい。

さらに、本発明の梁部２２は上記のような枠形状でなくてもよく、バネ機能を有するものであれば、どのような形状でも良い。また、本発明は上記加速度センサ１００に適用するものに限らず、圧力センサ、角速度センサ等の静電容量式の物理量検出装置にも同様に適用することができる。

１０ 半導体基板
２０ 可動部
２２ 梁部
２４ 可動電極
３０、４０ 固定部
３１、４１ 固定電極
５０ 周辺固定部
２１０ Ｃ−Ｖ変換回路
２２０ スイッチ回路

Claims (9)

1. 物理量に応じて所定方向へ変位する可動部（２０）と、
   前記可動部（２０）に対向して配置され、前記可動部（２０）と共に第１容量部（１６ａ、１６ｂ）を構成する第１固定部（３０、４０）と、
   前記可動部（２０）に対して前記所定方向と垂直方向に対向して配置され、前記可動部（２０）と共に第２容量部（１７）を構成する第２固定部（１１、９０）と、
   自己診断時には、前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記可動部（２０）を変位させるための第１変位信号を印加すると共に前記第２容量部（１７）に前記可動部（２０）を変位させるための第２変位信号を印加した後、前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に当該第１容量部（１６ａ、１６ｂ）の容量変化を検出するための検出信号を印加する自己診断信号印加手段（２２０）と、
   前記検出信号が前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に印加されているときに、前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）の容量変化に応じた電圧を出力するＣ−Ｖ変換回路（２１０）と、を備え、
   前記可動部（２０）は、前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記第１変位信号が印加されると前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）で発生する静電気力によって前記所定方向に変位し、前記第２容量部（１７）に前記第２変位信号が印加されると前記第２容量部（１７）で発生する静電気力によって前記垂直方向に変位することを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. 前記可動部（２０）は可動電極（２４）を有し、
   前記第１固定部（３０、４０）は、固定電極（３１、４１）を有し、
   前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）は、前記可動電極（２４）および前記固定電極（３１、４１）によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
3. 前記可動電極（２４）は、櫛歯構造とされており、
   前記固定電極（３１、４１）は、前記可動電極（２４）の櫛歯の隙間にかみ合う櫛歯構造とされていることを特徴とする請求項２に記載の容量式物理量検出装置。
4. 前記第２固定部としての支持基板（１１）と、前記支持基板（１１）上に配置される埋込絶縁膜（１２）と、前記埋込絶縁膜（１２）を挟んで前記支持基板（１１）と反対側に配置される半導体層（１３）と、を有する半導体基板（１０）を備え、
   前記半導体層（１３）には、前記可動部（２０）および前記第１固定部（３０、４０）が形成されていると共に、前記可動部（２０）および前記第１固定部（３０、４０）を囲み、前記埋込絶縁膜（１２）を介して前記支持基板（１１）に支持されている周辺固定部（５０）が構成されており、
   前記支持基板（１１）は、前記周辺固定部（５０）に電圧が印加されると所定電圧に固定されて前記可動部（２０）と共に前記第２容量部（１７）を構成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
5. 前記半導体層（１３）には前記可動部（２０）および前記固定部（３０、４０）を覆う蓋部（８０）が備えられ、前記蓋部（８０）のうち前記可動部（２０）と対向する部分には前記第２固定部としての自己診断用電極（９０）が形成されており、
   前記第２容量部（１７）は、前記可動部（２０）と前記支持基板（１１）とによって構成されていると共に、前記可動部（２０）と前記自己診断用電極（９０）とによって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の容量式物理量検出装置。
6. 前記自己診断信号印加手段（２２０）は、自己診断時において、前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記第１変位信号を印加すると共に、前記可動部（２０）と前記支持基板（１１）とによって構成される前記第２容量部（１７）または前記可動部（２０）と前記自己診断用電極（９０）とによって構成される前記第２容量部（１７）のいずれか一方に前記第２変位信号を印加した後に前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記検出信号を印加し、続いて前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記第１変位信号を印加すると共に、前記可動部（２０）と前記支持基板（１１）とによって構成される前記第２容量部（１７）または前記可動部（２０）と前記自己診断用電極（９０）とによって構成される前記第２容量部（１７）の他方に前記第２変位信号を印加した後に前記第１容量部（１６ａ、１６ｂ）に前記検出信号を印加することを特徴とする請求項５に記載の容量式物理量検出装置。
7. 半導体基板（１０）を備え、
   前記半導体基板（１０）の一面側には、前記可動部（２０）および前記第１固定部（３０、４０）が形成されていると共に、前記可動部（２０）および前記第１固定部（３０、４０）を覆う蓋部（８０）が備えられており、
   前記蓋部（８０）のうち前記可動部（２０）と対向する部分には前記第２固定部としての自己診断用電極（９０）が形成されており、
   前記第２容量部（１７）は、前記可動部（２０）と前記自己診断用電極（９０）とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式物理量検出装置。
8. 前記可動部（２０）には、自己診断時において、ｎを自然数としたとき、前記自己診断信号印加手段（２２０）から前記垂直方向における共振周波数のｎ倍、または、（１／ｎ）倍の周波数を有する信号が印加されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
9. 前記物理量は加速度であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。

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