JP2013167469A - 容量式物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＩ基板における支持基板の電位が変化することを抑制することができる容量式物理量検出装置を提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板４の半導体層に、第１固定電極２１ａ、２１ｂを有する一対の第１固定部２０ａ、２０ｂと、各第１固定電極２１ａ、２１ｂと対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第１可動電極１４を有する第１可動部１０と、を備える第１エレメント部１１０と、第１エレメント部１１０と異なる領域に形成された第２エレメント部１２０とを備える。また、第１可動部１０にパルス状の第１搬送波Ｐ１を入力すると共に、第１搬送波Ｐ１と周波数が同じであって位相が１８０°異なるパルス状の第２搬送波Ｐ２を第２エレメント部１２０へ入力する基準信号生成回路２３０と、第１可動電極１４と第１固定電極２１ａ、２１ｂとの間の容量を電圧変換する全差動型の第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、可動電極および固定電極を備え、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のＣ−Ｖ変換回路にて電圧変換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、例えば、特許文献１には、支持基板、埋込絶縁膜、半導体層が順に積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いてなる容量式物理量検出装置として加速度センサが提案されている。具体的には、この加速度センサでは、半導体層に、互いに離間していると共にそれぞれ固定電極を有する一対の固定部と、一対の固定部の間に配置され、各固定電極と対向し、かつ加速度に応じて所定方向に変位可能とされた可動電極を有する可動部とが形成されている。そして、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のＣ−Ｖ変換回路により電圧変換して出力するようになっている。

このような容量式物理量検出装置では、可動部（可動電極）に加速度が印加されると、可動電極と固定電極との間の容量が変化する。このとき、可動部（可動電極）にパルス状の搬送波が入力されていると、搬送波の切り替え前後でＣ−Ｖ変換出力に容量変化に応じた電圧差が生成される。

特開２００９−７５０９７号公報

しかしながら、上記容量式物理量検出装置では、ＳＯＩ基板の半導体層に可動部（可動電極）を形成しており、可動部と支持基板との間にカップリング容量が発生する。このため、可動部（可動電極）にパルス状の搬送波を入力すると支持基板の電位が変化し、これによってノイズが生成されてしまうという問題がある。したがって、Ｃ−Ｖ変換回路からノイズを含んだ信号が出力されることになり、検出精度が低下する。

本発明は上記点に鑑みて、ＳＯＩ基板に可動電極を有する可動部および固定電極を有する固定部が形成され、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のＣ−Ｖ変換回路で電圧変換する容量式物理量検出装置において、ＳＯＩ基板における支持基板の電位が変化することを抑制することが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、支持基板（１）と、支持基板上に配置される埋込絶縁膜（２）と、埋込絶縁膜を挟んで支持基板と反対側に配置される半導体層（３）とを有する半導体基板（４）と、半導体層に形成され、互いに離間していると共にそれぞれ第１固定電極（２１ａ、２１ｂ）を有する一対の第１固定部（２０ａ、２０ｂ）と、一対の第１固定部の間に配置され、第１固定部に備えられたそれぞれの第１固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第１可動電極（１４）を有する第１可動部（１０）と、を備える第１エレメント部（１１０）と、半導体層のうち第１エレメント部と異なる領域に形成された第２エレメント部（１２０）と、第１可動部にパルス状の第１搬送波（Ｐ１）を入力すると共に、第１搬送波と周波数が同じであって位相が１８０°異なるパルス状の第２搬送波（Ｐ２）を第２エレメント部へ入力する基準信号生成回路（２３０）と、第１可動電極と第１固定電極との間の容量を電圧変換する全差動型の第１Ｃ−Ｖ変換回路（２１０）と、を備え、基準信号生成回路は、第１可動部に第１搬送波を入力する際、第２エレメント部に第２搬送波を入力することを特徴としている。

これによれば、第１搬送波が第１可動部に入力されると、第１可動部と支持基板との間のカップリング容量と第１搬送波によって支持基板に電荷が生成される。また、第２搬送波が第２エレメント部に入力されると、第２エレメント部のうち第２搬送波が入力される部分と支持基板との間のカップリング容量と第２搬送波によって支持基板に電荷が生成される。このとき、第１、第２搬送波は、周波数が同じであって位相が１８０°異なるため、支持基板の電位が変化することを抑制することができる。

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断面図である。 図１に示すセンサチップの平面図である。 図１に示す加速度センサの回路図である。 図１に示す加速度センサ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回路図である。 図５に示す加速度センサのタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態におけるセンサチップの平面図である。 本発明の第４実施形態におけるセンサチップの平面模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、容量式物理量検出装置として、加速度センサに本発明を適用したものであり、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。

加速度センサは、図１に示されるように、センサチップ１００が回路チップ２００上にシリコーン系接着材等の接着剤３００を介して搭載されて構成されている。まず、センサチップ１００の構成について説明する。

センサチップ１００は、図１および図２に示されるように、支持基板１と、支持基板１上に形成された埋込絶縁膜２と、埋込絶縁膜２を挟んで支持基板１と反対側に配置された半導体層３とを有するＳＯＩ基板４を用いて構成されている。そして、ＳＯＩ基板４に周知のマイクロマシン加工が施されることによって第１、第２エレメント部１１０、１２０が形成されている。本実施形態では、第１、第２エレメント部１１０、１２０は、共に加速度を検出する検出部として機能する部位であり、基本的な構成は同じであるため、以下ではまとめて説明する。なお、図１中のセンサチップ１００は、図２中の(i)-(i)断面に相当している。また、本実施形態では、ＳＯＩ基板４が本発明の半導体基板に相当している。

半導体層３には、図２に示されるように、溝部５を形成することにより構成された第１可動部１０および第１固定部２０ａ、２０ｂよりなる櫛歯形状の梁構造体と、溝部６を形成することにより構成された第２可動部３０および第２固定部４０ａ、４０ｂよりなる櫛歯形状の梁構造体とが形成されている。また、埋込絶縁膜２のうち梁構造体１０〜４０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た開口部７、８が形成されている。

第１、第２可動部１０、３０は、それぞれ開口部７、８上を横断するように配置されており、矩形状の錘部１１、３１の両端が梁部１２、３２を介してアンカー部１３ａ、３３ａおよびアンカー部１３ｂ、３３ｂに一体に連結した構成とされている。アンカー部１３ａ、３３ａおよびアンカー部１３ｂ、３３ｂは、埋込絶縁膜２における開口部７、８の開口縁部に固定されて支持基板１に支持されている。これによって、錘部１１、３１および梁部１２、３２は、それぞれ開口部７、８に臨んだ状態となっている。

梁部１２、３２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１２は、図２中のｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部１１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。また、梁部３２は、図２中のｙ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部３１をｙ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１２、３２を介して支持基板１に連結された錘部１１、３１は、加速度の印加に応じて、開口部７、８上にて梁部１２、３２の変位方向（ｘ方向またはｙ方向）へ変位可能となっている。

ここで、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１２の変位方向であると共に錘部１１の変位方向である。また、ｙ軸方向は、梁部３２の変位方向であると共に錘部３１の変位方向であり、ＳＯＩ基板４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、ＳＯＩ基板４の面方向と直交する方向である。

第１、第２可動部１０、３０は、それぞれ梁部１２、３２の変位方向（ｘ方向またはｙ方向）と直交した方向にて、錘部１１、３１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第１、第２可動電極１４、３４を備えている。図２では、第１可動電極１４は、錘部１１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７に臨んだ状態となっている。また、第２可動電極３４は、錘部３１の下側および上側に各々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８に臨んだ状態となっている。このように、第１、第２可動電極１４、３４は、梁部１２、３２および錘部１１、３１と一体的に形成され、梁部１２、３２および錘部１１、３１と共に梁部１２、３２の変位方向へ変位可能となっている。

また、第１、第２可動部１０、３０は、互いに支持基板１と対向する面積が等しくされている。すなわち、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と、第２可動部３０と支持基板１との間のカップリング容量とが等しくなるようにされている。なお、本実施形態における第１可動部１０は、錘部１１、梁部１２、第１可動電極１４によって構成され、第２可動部３０は、錘部３１、梁部３２、第２可動電極３４によって構成されている。

第１、第２固定部２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂは、それぞれ埋込絶縁膜２における開口部７、８の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部１３ａ、３３ａおよびアンカー部１３ｂ、３３ｂ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。言い換えると、一対の第１固定部２０ａ、２０ｂの間に第１可動部１０が配置されており、一対の第２固定部４０ａ、４０ｂの間に第２可動部３０が配置されている。

具体的には、第１固定部２０ａ、２０ｂは、錘部１１を挟んで２個設けられている。そして、図２中において、第１固定部２０ａは錘部１１の左側に位置しており、第１固定部２０ｂは錘部１１の右側に位置している。また、第２固定部４０ａ、４０ｂは、錘部３１を挟んで２個設けられている。そして、図２中において、第２固定部４０ａは錘部３１の下側に位置しており、第２固定部４０ｂは錘部３１の上側に位置している。

第１、第２固定部２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂは、第１、第２可動電極１４、３４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）の第１、第２固定電極２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂと、埋込絶縁膜２における開口部７、８の開口縁部に固定されて支持基板１に支持された配線部２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂとを有した構成となっている。

具体的には、第１固定電極２１ａ、２１ｂは、第１可動電極１４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おり、第２固定電極４１ａ、４１ｂは、第２可動電極３４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、第１、第２固定電極２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂは断面矩形が梁状とされ、各配線部２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂに片持ち状に支持された状態となっており、開口部７、８に臨んだ状態となっている。

また、半導体層３のうち第１、第２可動部１０、３０、第１、第２固定部２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂを区画する溝部５、６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２を介して支持基板１に固定されて支持されている。

第１、第２固定部２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂの各配線部２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ上の所定位置には、それぞれワイヤボンディング用の第１、第２固定電極パッド２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂが形成されている。また、一方のアンカー部１３ｂ、３３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部１５、３５が形成されており、この可動電極用配線部１５、３５上の所定位置には、ワイヤボンディング用の第１、第２可動電極パッド１６、３６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５１が形成されている。

上記各電極パッド１６、２３ａ、２３ｂ、３６、４３ａ、４３ｂ、５１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。そして、上記各電極パッド１６、２３ａ、２３ｂ、３６、４３ａ、４３ｂ、５１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〜Ｗ７により、回路チップ２００と電気的に接続されている。

このような構成においては、図２中にコンデンサ記号で示す様に、第１可動電極１４と第１固定電極２１ａとによって容量ＣＳ１が構成され、第１可動電極１４と第１固定電極２１ｂとによって容量ＣＳ２が構成される。また、第２可動電極３４と第２固定電極４１ａとによって容量ＣＳ３が構成され、第２可動電極３４と第２固定電極４１ｂとによって容量ＣＳ４が構成される。そして、加速度が印加されると容量ＣＳ１〜ＣＳ４が変化するため、この容量変化から加速度が検出される。

以上が本実施形態におけるセンサチップ１００の構成である。つまり、本実施形態のセンサチップ１００では２方向の加速度の検出を行うことができるようになっている。

次に、回路チップ２００の構成について説明する。回路チップ２００には、図３に示されるように、第１可動電極１４と第１固定電極２１ａ、２１ｂとの間の容量ＣＳ１、ＣＳ２を電圧に変換する全差動型の第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０、第２可動電極３４と第２固定電極４１ａ、４１ｂとの間の容量ＣＳ３、ＣＳ４を電圧に変換する全差動型の第２Ｃ−Ｖ変換回路２２０が備えられている。

具体的には、第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０は、演算増幅器２１１、第１、第２コンデンサ２１２ａ、２１２ｂ、および第１、第２スイッチ２１３ａ、２１３ｂによって構成されている。そして、非反転入力端子と−側の出力端子との間に第１コンデンサ２１２ａおよび第１スイッチ２１３ａが並列に接続されており、反転入力端子と＋側の出力端子との間に第２コンデンサ２１２ｂおよび第２スイッチ２１３ｂが並列に接続されている。

また、演算増幅器２１１の非反転入力端子は、第１固定電極パッド２３ａを介して第１固定電極２１ａに接続され、反転入力端子は第１固定電極パッド２３ｂを介して第１固定電極２１ｂに接続されている。

同様に、第２Ｃ−Ｖ変換回路２２０は、演算増幅器２２１、第３、第４コンデンサ２２２ａ、２２２ｂ、および第３、第４スイッチ２２３ａ、２２３ｂによって構成されている。そして、非反転入力端子と−側の出力端子との間に第３コンデンサ２２２ａおよび第３スイッチ２２３ａが並列に接続されており、反転入力端子と＋側の出力端子との間に第４コンデンサ２２２ｂおよび第４スイッチ２２３ｂが並列に接続されている。

また、演算増幅器２２１の非反転入力端子は、第２固定電極パッド４３ａを介して第２固定電極４１ａに接続され、反転入力端子は第２固定電極パッド４３ｂを介して第２固定電極４１ｂに接続されている。

なお、第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂは、例えば、トランジスタ等で構成される。

また、回路チップ２００には、第１、第２可動電極１４、３４に入力する第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２を生成する基準信号生成回路２３０と、第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂのオン、オフを制御する制御信号ＳＷ１を生成する制御信号生成回路２４０が備えられている。

基準信号生成回路２３０は、第１搬送波Ｐ１として、例えば、電圧Ｖｄｄ（例えば、５Ｖ）と電圧０Ｖとの間で振幅し、周波数が１００ｋＨｚとされたパルス状の信号を生成する。また、第２搬送波Ｐ２として、第１搬送波Ｐ１と振幅および周波数が同じであり、位相が１８０°異なるパルス状の信号を生成する。そして、第１搬送波Ｐ１を第１可動電極パッド１６を介して第１可動部１０（第１可動電極１４）に入力すると共に、第２搬送波Ｐ２を第２可動電極パッド３６を介して第２可動部３０（第２可動電極３４）に入力する。

制御信号生成回路２４０は、上記第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂのオン、オフを制御する制御信号ＳＷ１を生成し、第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂのオン、オフを所定のタイミングで制御する。

また、回路チップ２００には、第１、第２サンプルホールド回路（以下、Ｓ／Ｈ回路という）２５０、２６０が備えられている。これら第１、第２Ｓ／Ｈ回路２５０、２６０は、第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０の各出力端子と接続されている。そして、制御信号生成回路２４０からの制御信号（図示せず）に基づいて駆動され、第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０の出力をサンプリングして一定期間保持する。

さらに、回路チップ２００には、特に図示しないが、制御信号生成回路２４０からの制御信号に基づいて駆動され、第１、第２Ｓ／Ｈ回路２５０、２６０のそれぞれの出力電圧から差電圧（サンプリング２−サンプリング１）を取り出し、さらにその差電圧から所定の周波数成分のみを取り出して加速度信号として出力するローパスフィルタ回路（以下、ＬＰＦ回路という）が備えられている。

以上が本実施形態における加速度センサの基本的な構成である。次に、上記加速度センサの作動について図３および図４を参照しつつ説明する。

上記加速度センサは、基準信号生成回路２３０から、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２が第１、第２可動部（第１、第２可動電極１４、３４）に入力された状態で加速度の検出が行われる。具体的には、電圧Ｖｄｄ（例えば５Ｖ）と０Ｖとの間で振幅し、周波数が１００ｋＨｚのパルス状の第１搬送波Ｐ１が第１可動電極パッド１６を介して第１可動部１０（第１可動電極１４）に入力される。また、基準信号生成回路２３０から、第１搬送波Ｐ１と振幅および周波数が同じであり、位相が１８０°異なる第２搬送波Ｐ２が第２可動電極パッド３６を介して第２可動電極３４に入力される。

なお、本実施形態では、第２可動部３０が本発明の第２エレメント部１２０のうち第２搬送波Ｐ２が入力される領域に相当する。

この場合、第１可動電極１４と支持基板１との間のカップリング容量と、第１搬送波Ｐ１とによって支持基板１に電荷が生成される。また、第２可動電極３４と支持基板１との間のカップリング容量と、第２搬送波Ｐ２とによって支持基板１に電荷が生成される。このとき、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２は、電圧Ｖｄｄと０Ｖとの間を振幅すると共に周波数が同じであり、かつ位相が１８０°異なる信号であるため、支持基板１の電位は中点の１／２Ｖｄｄに維持される。このため、搬送波によって支持基板１の電位が変化することを抑制することができる。

そして、この状態で、図２中のｘ方向およびｙ方向に加速度が印加されると、第１可動電極１４がｘ方向に変位すると共に第２可動電極３４がｙ方向に変位する。このとき、容量ＣＳ１〜ＣＳ４では、加速度の大きさに応じた容量変化（＋ΔＣ、−ΔＣ）が発生する。そして、この容量に応じた第１、第２固定電極２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂの信号が第１、第２固定電極パッド２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂを介して第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０に入力され、第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０から加速度に応じた電位差信号（ＶＯＰ１−ＶＯＭ１、ＶＯＰ２−ＶＯＭ２）としてΔＶ１、ΔＶ２が出力される。

なお、第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂがオン（閉）されているとき（期間φ２）に第１〜第４コンデンサ２１２ａ、２１２ｂ、２２２ａ、２２２ｂがリセットされ、第１〜第４スイッチ２１３ａ、２１３ｂ、２２３ａ、２２３ｂがオフ（開）されているときに加速度の検出が行われる。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。したがって、リセットされた後であって第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２の電位が変化した後（例えば、第１搬送波Ｐ１では電位がローレベルからハイレベルに変化した後）、第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０から電圧ΔＶ１、ΔＶ２がそれぞれ出力される。

また、第１、第２Ｃ−Ｖ変換回路２１０、２２０から出力された信号は、制御信号生成回路２４０からの信号に基づいて駆動される第１、第２Ｓ／Ｈ回路２５０、２６０によって所定期間毎にサンプリングされて一定期間保持される。そして、ＬＰＦ回路によって第１、第２Ｓ／Ｈ回路２５０、２６０の出力電圧からそれぞれ差電圧（サンプリング２−サンプリング１）を取り出し、さらにその差電圧から所定の周波数成分のみが取り出され、加速度信号として出力される。

以上説明したように、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と、第１搬送波Ｐ１とによって支持基板１に電荷が生成される。また、第２可動部３０と支持基板１との間のカップリング容量と、第２搬送波Ｐ２によって支持基板１に電荷が生成される。このとき、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２は、電圧Ｖｄｄと０Ｖとの間を振幅すると共に周波数が同じであり、かつ位相が１８０°異なる信号であるため、支持基板１の電位は中点の１／２Ｖｄｄに維持される。このため、搬送波によって支持基板１の電位が変化することを抑制することができる。

また、第２エレメント部１２０にｙ軸方向の加速度を検出する検出部を形成することにより、２方向の加速度を検出することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、回路チップ２００に第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０のみ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、本実施形態では、第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０のみが備えられている。そして、演算増幅器２１１は、第１〜第４切換スイッチ２７１〜２７４を介して第１、第２固定電極２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂに接続されている。

具体的には、演算増幅器２１１の非反転入力端子は、第１切換スイッチ２７１および第１固定電極パッド２３ａを介して第１固定電極２１ａに接続されていると共に、第４切換スイッチ２７４および第２固定電極パッド４３ｂを介して第２固定電極４１ｂに接続されている。また、反転入力端子は、第２切換スイッチ２７２および第１固定電極パッド２３ｂを介して第１固定電極２１ｂに接続されていると共に、第３切換スイッチ２７３および第２固定電極パッド４３ａを介して第２固定電極４１ａに接続されている。つまり、本実施形態では、容量ＣＳ１〜ＣＳ４が共通の第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０によって電圧変換されるようになっている。

また、制御信号生成回路２４０は、第１、第２スイッチ２１３ａ、２１３ｂのオン、オフを制御する制御信号ＳＷ１を出力すると共に第１〜第４切換スイッチ２７１〜２７４のオン、オフを制御する制御信号ＳＷ２を出力する。

次に、上記加速度センサの作動について図６を参照しつつ説明する。

図６に示されるように、期間φ３では、第１、第２切換スイッチ２７１、２７２がオンされ、第３、第４切換スイッチ２７３、２７４がオフされている。このため、第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０には、第１固定電極２１ａ、２１ｂの信号が第１固定電極パッド２３ａ、２３ｂを介して入力され、加速度に応じた電位差信号（ＶＯＰ−ＶＯＭ）としてΔＶ１が出力される。

同様に、期間φ４では、第１、第２切換スイッチ２７１、２７２がオフされ、第３、第４切換スイッチ２７３、２７４がオンされている。このため、第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０には、第２固定電極４１ａ、４１ｂの信号が第２固定電極パッド４３ａ、４３ｂを介して入力され、加速度に応じた電位差信号（ＶＯＰ１−ＶＯＭ１）としてΔＶ２が出力される。

また、第３、第４切換スイッチ２７３、２７４がオフされている期間φ３では、第２エレメント部１２０にて加速度の検出を行うことができないが、第２可動部３０（第２可動電極３４）に第２搬送波Ｐ２が入力されている。同様に、第１、第２切換スイッチ２７１、２７２がオフされている期間φ４では、第１エレメント部１１０にて加速度の検出を行うことがないが、第１可動部１０（第１可動電極１４）に第１搬送波Ｐ１が入力されている。上記のように、第１、第２可動部１０、３０（第１、第２可動電極１４、３４）に第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２を入力することにより、支持基板１の電位が変化することを抑制することができるためである。

なお、第１、第２スイッチ２１３ａ、２１３ｂがオン（閉）されているとき（期間φ２）に第１、第２コンデンサ２１２ａ、２１２ｂがリセットされ、第１、第２スイッチ２１３ａ、２１３ｂがオフ（開）されているときに加速度の検出が行われる。つまり、期間φ３のうち期間φ２以外の期間が加速度を検出する期間となり、期間φ４のうち期間φ２以外の期間が加速度を検出する期間となる。

以上説明したように、回路チップ２００に第１Ｃ−Ｖ変換回路２１０のみを備え、容量ＣＳ１、ＣＳ２と、容量ＣＳ３、ＣＳ４とを順に電圧変換するようにしても、第１、第２可動部１０、３０（第１、第２可動電極１４、３４）に第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２を入力することにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、第２エレメント部１２０の構成を変更したものであり、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７に示されるように、第２エレメント部１２０は、溝部６によって周辺固定部５０と区画された領域とされており、可動部や固定部が形成されていない。そして、第２エレメント部１２０の半導体層３には、特に図示しないが、第２搬送波Ｐ２が入力されるパッドが形成されている。

また、第２エレメント部１２０は、半導体層３、埋込絶縁膜２、支持基板１によって構成されるカップリング容量が第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と等しくなるように溝部６によって区画されている。

このような加速度センサは、上記第１実施形態と同様に、第１可動部１０に第１搬送波Ｐ１が入力され、第２エレメント部１２０に第２搬送波Ｐ２が入力された状態で加速度の検出が行われる。すなわち、本実施形態の第２エレメント部１２０は、加速度を検出する検出部としての機能を発揮する領域ではなく、支持基板１の電位の変化を抑制するためのみに第２搬送波Ｐ２が入力されるダミー領域である。

このように、第２エレメント部１２０に検出部を構成しなくても、第１、第２可動部１０、３０（第１、第２可動電極１４、３４）に第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２を入力することにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、溝部６によって区画された半導体層３が本発明の第２搬送波Ｐ２が入力される領域に相当する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、第２エレメント部１２０の構成を変更したものであり、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８に示されるように、第１エレメント部１１０には、上記第１可動部１０および第１固定部２０ａ、２０ｂを有するｘ軸方向検出部が形成されている。第２エレメント部１２０には、上記第２可動部３０および第２固定部４０ａ、４０ｂを有するｙ軸方向検出部１２０ａと、互いに離間していると共にそれぞれ第３固定電極を有する一対の第３固定部と、第３固定部の間に配置される共に各第３固定電極と対向し、かつ第１、第２可動部１０、３０の変位方向とそれぞれ垂直方向（ｚ軸方向）に変位する第３可動電極を備える第３可動部とを有するｚ軸方向検出部１１０ｂとが形成されている。

すなわち、本実施形態の第２エレメント部１２０は、分離されたｙ軸方向検出部１２０ａとｚ軸方向検出部１２０ｂとによって構成されている。そして、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量は、第２可動部３０と支持基板１との間のカップリング容量および第３可動部と支持基板１との間のカップリング容量の和と等しくなるようにされている。

このような加速度センサは、上記第１実施形態と同様に、第１可動部１０に第１搬送波Ｐ１が入力され、第２可動部３０および第３可動部に第２搬送波Ｐ２が入力された状態で加速度の検出が行われる。

このように、第２エレメント部１２０は、複数の領域から構成されていても、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と、第２エレメント部１２０のうち第２搬送波Ｐ２が入力される領域と支持基板１との間のカップリング容量とが等しくされていれば、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２が入力されることにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、第１エレメント部１１０は加速度を検出するものとして説明したが、第１エレメント部１１０は角速度を検出するものであってもよい。すなわち、上記第１、第２、第４実施形態では、センサチップ１００は、加速度および角速度の両方を検出できるものとしてもよい。また、上記第３実施形態において、センサチップ１００は、角速度のみを検出することができるようになっていてもよい。

そして、上記第１、第２実施形態では、第１可動電極１４と、第２可動電極３４との変位方向が互いに直交するものを説明したが、第１可動電極１４の変位方向と第２可動電極３４の変位方向とが同じ方向とされていてもよい。この場合は、第１エレメント部１１０と第２エレメント部１２０とで容量が大きく異なるような場合はいずれか一方が故障していると判定することができる。同様に、上記第４実施形態においても、第２エレメント部１２０の２つの検出部は、同じ方向の加速度を検出するものであってもよいし、第１エレメント部１１０と第２エレメント部１２０の一方の検出部とが同じ方向の加速度を検出するものであってもよい。さらに、第１、第２エレメント部１１０、１２０に全て同じ方向の加速度を検出する検出部が形成されていてもよい。

また、上記第１、第２実施形態において、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と第２可動部３０と支持基板１との間のカップリング容量とが異なるように第１、第２エレメント部１１０、１２０を形成してもよい。

ここで、支持基板１に生成される電荷は、Ｑ＝ＣＶより、カップリング容量と可動部に入力される電位によって決定される。このため、基準信号生成回路２３０で生成される第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２の振幅が異なるものとし、第１可動部１０と支持基板１との間のカップリング容量と第１搬送波Ｐ１によって生成される電荷と、第２可動部３０と支持基板１との間のカップリング容量と第２搬送波Ｐ２によって生成される電荷において、搬送波がローレベルであるときの大きさおよび搬送波がハイレベルであるときの大きさが等しくなるようにしてもよい。このようにしても、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２によって生成される電荷により、支持基板１の電位が中点の電位に維持される。このため、上記各実施形態と同様に支持基板１の電位が変化することを抑制することができる。

同様に、上記第３、第４実施形態においても、第１、第２エレメント部１１０、１２０における第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２が入力される部分と支持基板１との間のカップリング容量が異なっていてもよく、第１、第２搬送波Ｐ１、Ｐ２によって生成される電荷を消滅させることができるように振幅を変更してもよい。

１ 支持基板
２ 埋込絶縁膜
３ 半導体層
４ ＳＯＩ基板（半導体基板）
１０ 第１可動部
１４ 第１可動電極
２０ａ、２０ｂ 第１固定部
２１ａ、２１ｂ 第１固定電極
１１０ 第１エレメント部
１２０ 第２エレメント部
２１０ 第１Ｃ−Ｖ変換回路
２２０ 第２Ｃ−Ｖ変換回路

Claims (9)

1. 支持基板（１）と、前記支持基板上に配置される埋込絶縁膜（２）と、前記埋込絶縁膜を挟んで前記支持基板と反対側に配置される半導体層（３）とを有する半導体基板（４）と、
   前記半導体層に形成され、互いに離間していると共にそれぞれ第１固定電極（２１ａ、２１ｂ）を有する一対の第１固定部（２０ａ、２０ｂ）と、前記一対の第１固定部の間に配置され、前記第１固定部に備えられたそれぞれの前記第１固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第１可動電極（１４）を有する第１可動部（１０）と、を備える第１エレメント部（１１０）と、
   前記半導体層のうち前記第１エレメント部と異なる領域に形成された第２エレメント部（１２０）と、
   前記第１可動部にパルス状の第１搬送波（Ｐ１）を入力すると共に、前記第１搬送波と周波数が同じであって位相が１８０°異なるパルス状の第２搬送波（Ｐ２）を前記第２エレメント部へ入力する基準信号生成回路（２３０）と、
   前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の容量を電圧変換する全差動型の第１Ｃ−Ｖ変換回路（２１０）と、を備え、
   前記基準信号生成回路は、前記第１可動部に前記第１搬送波を入力する際、前記第２エレメント部に前記第２搬送波を入力することを特徴とする容量式物理量検出装置。
2. 前記基準信号生成回路は、前記第１可動部と前記支持基板との間のカップリング容量と前記第１搬送波の振幅で決定される電荷と大きさが等しくなる電荷を生成することが可能な前記第２搬送波を前記第２エレメント部のうち前記第２搬送波が入力される部分と前記支持基板との間のカップリング容量に応じて入力す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. 前記第２エレメント部は、前記第２搬送波が入力される部分と前記支持基板との間のカップリング容量が前記第１可動部と前記支持基板との間のカップリング容量と等しくされており、
   前記基準信号生成回路は、前記第１搬送波と振幅が等しい前記第２搬送波を入力す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エレメント部は、互いに離間していると共にそれぞれ第２固定電極（４１ａ、４１ｂ）を有する一対の第２固定部（４０ａ、４０ｂ）と、前記一対の第２固定部の間に配置され、前記第２固定部に備えられたそれぞれの前記第２固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第２可動電極（３４）を有する第２可動部（３０）と、を備えており、
   前記基準信号生成回路は、前記第２可動部に前記第２搬送波を入力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. 前記第２可動電極と前記第２固定電極との間の容量を電圧変換する全差動型の第２Ｃ−Ｖ変換回路（２２０）を備え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. 前記第１Ｃ−Ｖ変換回路は、第１、第２切換スイッチ（２７１、２７２）を介して前記第１固定電極に接続されていると共に、第３、第４切換スイッチ（２７３、２７４）を介して前記第２固定電極に接続されており、前記第１、第２切換スイッチがオンされていると共に前記第３、第４スイッチがオフされているときに前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の容量を電圧変換し、前記第１、第２切換スイッチがオフされていると共に前記第３、第４切換スイッチがオンされているときに前記第２可動電極と前記第２固定電極との間の容量を電圧変換す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。
7. 前記第１可動電極の変位方向と前記第２可動電極の変位方向とは直交していることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の容量式物理量検出装置。
8. 前記第２エレメント部は、前記第２可動部および前記第２固定部を備えると共に、互いに離間していると共にそれぞれ第３固定電極を有する一対の第３固定部と、前記一対の第３固定部の間に配置され、前記第３固定部に備えられたそれぞれの前記第３固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第３可動電極を有する第３可動部と、を備えており、
   前記基準信号生成回路は、前記第２可動部および前記第３可動部に前記第２搬送波を入力することを特徴とする請求項４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. 前記第１可動電極の変位方向と、前記第２可動電極の変位方向と、前記第３可動電極の変位方向とは、互いに直交していることを特徴とする請求項８に記載の容量式物理量検出装置。
   

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