以下、本発明の実施の形態について添付図� ��を参照して詳細に説明する。
 図1は、本発明の実施の形態に係る静電容量 型加速度センサを示す平面図である。また、 図2(a)は、図1におけるIIA-IIA線に沿う断面図で あり、図2(b)は、図1におけるIIB-IIB線に沿う断 面図である。

 図1に示す静電容量型加速度センサは、X� �方向、Y軸方向及びZ軸方向の加速度をそれぞ れ独立して検出するための3つの可動電極で� �る錘部12a,12b,12cを有する第1基板であるシリ� �ン製基板11の一方の主面と、それぞれの錘部 12a,12b,12cに対して所定の間隔を持つ、静電容� ��の変化を差動容量として検出するそれぞれ� ��対の検出用電極対14a,14b,14c,14d,14e,14fを有す� �第2基板であるガラス基板13とが接合されて� �成されており、シリコン製基板11の他方の主 面には、錘部12a,12bを揺動させ、錘部12cを昇� �させる領域(キャビティ)16を構成するように� ��第3基板であるガラス基板15が接合されてい� ��。

 図1に示す静電容量型加速度センサにおい ては、Y軸方向の加速度に感度を持つ可動電� �が錘部12aであり、X軸方向の加速度に感度を� ��つ可動電極が錘部12bであり、Z軸方向の加速 度に感度を持つ可動電極が錘部12cである。Y� �方向用錘部12aに対する一対の検出用電極対� �固定電極14a,14bであり、X軸方向用錘部12bに対 する一対の検出用電極対は固定電極14c,14dで� �り、Z軸方向用錘部12cに対する一対の検出用� ��極対は固定電極14e,14fである。

 Y軸方向用錘部12aは、平面視において略矩 形状を有しており、対向する辺において捩り 梁11aによりシリコン製基板11に対して揺動可� ��に支持されている。X軸方向用錘部12bは、平 面視において略矩形状を有しており、対向す る辺において捩り梁11bによりシリコン製基板 11に対して揺動可能に支持されている。それ� ��れの捩り梁11a,11bは、平面視において錘部12a ,12bのそれぞれ対向する辺の中央付近に設け� �れている。一方、Z軸方向用錘部12cは、平面� ��において略矩形状を有しており、その周囲� ��撓み梁11cによりシリコン製基板11に対して� �降可能に支持されている。

 ガラス基板13上には、3対の検出用電極対� ��形成されている。Y軸方向用錘部12aに対する 固定電極14a,14bは、ほぼ同じ面積を有してお� �、図1から分かるように、平面視においてY軸 方向用錘部12aの下方であって、捩り梁11aを通 る中央部分を境界にして分割して形成されて いる(図1において上下分割)。2つの固定電極14 a,14bの面積を合わせてY軸方向用錘部12aの面積 とほぼ等しくなるようになっている。

 X軸方向用錘部12bに対する固定電極14c,14d� �、ほぼ同じ面積を有しており、図1から分か� ��ように、平面視においてX軸方向用錘部12bの 下方であって、捩り梁11bを通る中央部分を境 界にして分割して形成されている(図1におい� ��左右分割)。2つの固定電極14c,14dの面積を合� ��せてX軸方向用錘部12bの面積とほぼ等しくな るようになっている

 Z軸方向用錘部12cに対する固定電極14e,14f� �、それぞれZ軸方向用錘部12cとほぼ同じ面積� ��有しており、一方の固定電極14eがZ軸方向用 錘部12cの下方に形成され、他方の固定電極14f が別の領域に形成されている。

 このように、ガラス基板13の同一面上に3� ��の検出用電極対がすべて形成される構成を� ��ることにより、検出用電極(固定電極)を一� �の工程ですべて形成することができ、製造� �ロセスを簡略化することができるので好ま� �い。また、図1に示すように、各軸方向用の� ��部12a,12b,12cをシリコン製基板11に並設し、す べて略同一形状を有するように形成すること により、製造プロセスを簡略化することがで きるので好ましい。

 また、X軸方向用の固定電極対14c,14dと、Y� ��方向用の固定電極対14a,14bと、Z軸方向用の2� ��の差動容量検出用電極14e,14fの4つの電極と� �、ガラス基板13の平面視において、略正方形 に並べられている。このように、固定電極が 配置されることにより、ガラス基板13におい� ��電極が形成されている領域が均等となり、� ��的な応力に対する影響が等しくなるので好� ��しい。

 図2(a)は図1のIIA-IIA線に沿う断面図であり� ��Y軸方向用錘部12aとX軸方向用錘部12bについ� �の構成を示し、図2(b)は図1のIIB-IIB線に沿う� �面図であり、Z軸方向用錘部12cについての構� ��を示す。図2(a)において、ガラス基板13の一� ��の主面に凹部が形成されており、その凹部� ��底面に固定電極14a,14b,14c,14dが形成されてい� ��。なお、図2(a)においては、X軸方向用錘部12 bに対する固定電極14c,14dが示されており、Y軸 方向用錘部12aに対する固定電極14a,14bは示さ� �ていない。

 ガラス基板13には、両主面で露出するよ� �に貫通する導電部材16a,16bが設けられており� ��それらの一方の露出面がそれぞれ固定電極1 4c,14dと電気的に接続されている。また、導電 部材16a,16bの他方の露出面には引き出し電極17 a,17bが形成されており、導電部材16a,16bと引き 出し電極17a,17bとがそれぞれ電気的に接続さ� �ている。なお、図2(a)には図示されていない� ��、Y軸方向用錘部12aに対する固定電極14a,14b� �ついても同様な構成で導電部材及び引き出� �電極が設けられている。

 ガラス基板13上には、シリコン製基板11が 接合されている。ここでは、梁部の形成を容 易にするためにシリコン製基板としてSOI(Silic on On Insulator)基板を用いている。また、シリ コン製基板11上には、ガラス基板15が接合さ� �ている。これにより、Y軸方向用錘部12aとそ� ��に対応する固定電極14a,14bとが配置されたキ ャビティ18aと、X軸方向用錘部12bとそれに対� �する固定電極14c,14dとが配置されたキャビテ� ��18bと、が形成される。なお、ガラス基板13� �シリコン製基板11との間や、ガラス基板15と� ��リコン製基板11との間の接合には、基板間� �形成するキャビティ18a,18bの気密性を高める� ��めに陽極接合を行うことが好ましい。また� ��キャビティ18a内においては、SOI基板の活性� ��11fが捩り梁11aとなり、Y軸方向用錘部12aを揺 動可能に支持し、キャビティ18b内においては 、SOI基板の活性層11fが捩り梁11bとなり、X軸� �向用錘部12bを揺動可能に支持する。

 図2(b)において、ガラス基板13の一方の主� ��に凹部が形成されており、その凹部の底面� ��固定電極14e,14fが形成されている。ガラス基 板13には、両主面で露出するように貫通する� ��電部材16c,16d,16eが設けられており、それら� �一方の露出面がそれぞれ固定電極14e,14f、電� ��19と電気的に接続されている。また、導電� �材16c,16d,16eの他方の露出面には引き出し電極 17c,17d,17eが形成されており、導電部材16c,16d,16 eと引き出し電極17c,17d,17eとがそれぞれ電気的 に接続されている。

 ガラス基板13上には、シリコン製基板11が 接合され、シリコン製基板11上には、ガラス� ��板15が接合されている。これにより、Z軸方� ��用錘部12cと対応する固定電極14eとが配置さ� ��たキャビティ18cと、Z軸方向用錘部12cの固定 電極14fが配置されたキャビティと、が形成さ れる。これにより、Z軸方向用の検出用電極� �一方が、X軸、Y軸、Z軸方向のそれぞれの可� �電極のキャビティとは異なる独立したキャ� �ティ内に密閉される。なお、ガラス基板13と シリコン製基板11との間や、ガラス基板15と� �リコン製基板11との間の接合には、基板間で 形成するキャビティ18cの気密性を高めるため に陽極接合を行うことが好ましい。また、キ ャビティ18a内においては、SOI基板の活性層11f が撓み梁11cとなり、Z軸方向用錘部12cを昇降� �能に支持する。

 捩り梁11a,11b及び撓み梁11cは、錘部12a,12b,1 2cの底面側に形成されている。すなわち、そ� ��ぞれの錘部12a,12b,12cは、シリコン製基板11の 厚さ方向において対向する一対の面を有して おり、捩り梁11a,11b及び撓み梁11cがそれぞれ� �錘部12a,12b,12cの一方の面に沿って形成されて いる。また、図1から分かるように、捩り梁11 a,11b及び撓み梁11cは、それぞれ錘部12a,12b,12c� �重心位置を通っている。このような梁を形� �することにより、他軸の感度を低くして、� �軸方向の加速度を独立して検出することが� �能となる。

 各軸方向の錘部12a,12b,12cの大きさ、形状� �配置や、捩り梁11a,11b,11cの形状、形成位置は 以下の検討の下に決定することが好ましい。 この場合において、同一の基板から同一の工 程で梁を形成するために梁の厚さ(T)を等しく することが好ましい。また、加速度の測定範 囲が容量測定範囲と一致するように、X軸方� �用錘部12b、Y軸方向用錘部12aに対応する捩り� ��11a,11bを形成する。さらに、この場合におい て、初期容量(加速度ゼロでの容量検出値)、� ��小感度(最小容量検出値)及び最大感度(最大� ��量検出値)をセンサ仕様に基づいて決定する 。

 この場合、以下のようなパラメータを考慮� ��る。
-容量電極の面積(S)
-容量を形成するギャップの距離(D)
-ギャップの誘電率(ε)
-測定範囲におけるギャップの変位(d)
-錘の質量(M)
-錘の平面的大きさ(L)
-錘の厚さ(H)
-錘材料の比重(ρ)
-梁材料の破壊強度
-製品に必要な破壊強度
-共振周波数
 これらのパラメータから初期容量は、ε×(S/ D)により求められ、錘の質量(M)は、錘の形状� ��正方形であるとすると、ρ×L ² ×Hにより求められ、梁と錘の重心までの高さ は、錘の形状が立方体であるとすると、ほぼ H/2で求められる。また、梁の破壊強度が製品 に必要な破壊強度を超えるように、梁の幅、 厚さ、長さを決定する。

 Y軸方向用錘部12aの捩り梁11a及びX軸方向� �錘部12bの捩り梁11bは、それぞれの測定加速� �方向のみに感度を有することが望ましい。� �のためには、捩り梁11a,11bは錘部12a,12bの一方 の主面側(図2において底面側)に位置し、それ ぞれの錘部12a,12bの重心位置を通ることが望� �しい。これにより、これらの捩り梁11a,11bは� ��梁の幅方向及び厚さ方向に印加された加速� ��に対してほとんど変位しない。一方、Z軸方 向用錘部12cの梁は、X軸方向用錘部12b及びY軸� ��向用錘部12aの捩り梁とは異なり撓み梁であ� ��ので、静電容量を変化させる錘部12cの変位( d)が大きくなり過ぎることを防止する必要が� ��る。

 各軸方向の加速度を正確に検出するため� ��は、錘部の変位と静電容量との間のリニア� ��ティを考慮する必要がある。すなわち、錘� ��の変位と静電容量との間のリニアリティが� ��保されている領域を測定範囲に設定するこ� ��により、より正確に加速度を検出すること� ��できる。

 本発明の静電容量型加速度センサにおい� ��は、各軸方向の加速度は差動容量方式で求� ��られる。X軸方向用錘部12b及びY軸方向用錘� �12aの変位に基づく静電容量を模式化すると� �図3(a)に示すようになる。例えば、Y軸方向用 錘部12aは、捩り梁11aを軸として図1における� �下方向に揺動する(図2(a)において手前側と奥 側に揺動する)。このとき、Y軸方向用錘部12a� ��、固定電極14a,14bのうち一方との間の距離が 大きくなり、他方との間の距離が小さくなる 。すなわち、図3(a)においては、Y軸方向用錘� ��12aが固定電極14aに近づくと、固定電極14bか� ��離れ、Y軸方向用錘部12aが固定電極14bに近づ くと、固定電極14aから離れる。このようなY� �方向用錘部12aと固定電極14a,14bとの間の変位� ��及び静電容量変化(◇印、□印)の関係を図4( a)に示す。図4(a)において、横軸は可動電極と 固定電極の間の距離の増減を初期ギャップ間 隔で規格化した数値であり、縦軸は電極対を 形成する各固定電極と可動電極との間の容量 と、各容量間の差分(差動容量)とを初期値で� ��格化した数値である。また、図4(a)には、Y� �方向用錘部12aについての差動容量(△印)につ いても示す。また、X軸方向用錘部12b、固定� �極14c,14dとの関係も図3(a)、図4(a)と同様とな� �。なお、以下の図4(b)、図5(a),(b),(c)において� ��、横軸、縦軸は図4(a)の場合と同様である。

 Z軸方向用錘部12cの変位に基づく静電容量 を模式化すると、図3(b)に示すようになる。� �えば、Z軸方向用錘部12cは、撓み梁11cにより� ��2(b)における上下方向に昇降する。このとき 、Z軸方向用錘部12cは、固定電極14eとの間の� �離が変わる。一方、固定電極14fとシリコン� �基板11(SOI基板の活性層11f)との間の距離は一� ��であるので固定容量が形成される。この固� ��容量を参照容量として、Z軸方向用錘部12cと 固定電極14eとの間の距離が変わることによる 静電容量の変化を差動的に検出する。このよ うなZ軸方向用錘部12cと固定電極14eとの間の� �位量及び静電容量変化(◇印、□印)の関係を 図4(b)に示す。また、図4(b)には、Z軸方向用錘 部12cについての差動容量(△印)についても示� ��。

 図4(a)に示す特性図の一部を図5(a)に示す� �図4(a)から分かるように、差動容量が左右対� ��の変化を示し、広い範囲で直線近似できる� ��このため、上記に示す差動容量の原理に基� ��き、リニアリティの観点を考慮すると、X軸 方向の加速度検出及びY軸方向の加速度検出� �関しては、差動容量は、初期のギャップ間� �に対して錘部12a,12bの初期位置(加速度が印加 されていない状態での位置)からの最大変位� �±20%以内であることが望ましい。このとき、 理想的な平行平板電極における変位と考える と、95%以上のリニアリティが確保されるが、 捩り梁での差動容量は平行平板電極でなく、 平均変位が最大変位の1/2であるから、平均変 位が±10%の範囲内で動作させて差動容量を所� ��の検出容量となるようにすることが望まし� ��。これにより、リニアリティの良い範囲で� ��速度を検出することができる。

 一方、Z軸方向の加速度検出においては、 図4(b)から分かるように、差動容量が左右対� �の変化を示さず、直線近似できる範囲が狭� �。Z軸方向の加速度検出においては、上記の� ��うに一方を固定容量とした差動容量を採用� ��るために、リニアリティを90%確保できる変� ��の範囲は初期のギャップ間隔に対して±10%� �なる。X軸方向の加速度検出及びY軸方向の加 速度検出と同程度の感度(リニアリティ)とす� ��ためには、変位の範囲を初期のギャップ間� ��に対して±5%以内に抑えることが好ましい。 X軸方向の加速度検出及びY軸方向の加速度検� ��と同程度の感度に設計するためには、固定� ��極14e,14fの面積を適宜設定することが望まし い。例えば、図5(b)に示すように、固定電極14 e,14fの面積を2倍にしたり、図5(c)に示すよう� �、固定電極14e,14fの面積を4倍にして調整する 。

 Z軸方向用錘部12cの撓み梁11cについては、 Z軸方向用錘部12cの変位が上記の範囲となる� �うにし、かつ、Z軸方向以外に印加された加� ��度に対しては変位しないように設定する。� ��れを達成するためには、X軸方向、Y軸方向� �対称な形状で、梁の幅を大きくすることが� �ましい。なお、感度の調整は錘部12cと固定� �極14eとの間の間隔の中心値、錘部12cの質量� �撓み梁11cの長さを考慮して最適化する。

 X軸方向用錘部12a及びY軸方向用錘部12bの� �さ(H)は厚いほど感度は良くなるが、Z軸方向� ��錘部12cについては他軸方向感度を考慮する� ��錘部12cの厚さは小さい方が望ましい。また� ��Z軸方向用錘部12cの大きさは、センサの製造 を容易にし、各軸方向の加速度検出の相対ば らつきを小さくするために、X軸方向用錘部12 a及びY軸方向用錘部12bと同一にすることが好� ��しい。

 図2(a),(b)に示すキャビティ18a,18b,18cの内圧 は、ほぼ等しく設定されることが望ましい。 これにより、加速度が加わった場合に、所望 の同じようなダンピング特性を得ることがで き、各軸方向でほぼ同じ感度で加速度を検出 することができる。

 なお、共振周波数については、センサの� ��波数特性を制限するため、用途に応じて適� ��な値になるように適宜設定する。

 このような構成の静電容量型加速度セン� ��においては、X軸方向の加速度が加わると、 捩り梁11bを支点としてX軸方向用錘部12bが揺� �する。このように錘部12bが揺動して変位す� �ことにより、対向した固定電極14c,14dとの間� ��距離が変わり、その距離の変化による静電� ��量の変化を差動容量として検出することが� ��き、その静電容量変化で加速度を測定する� ��とができる。また、Y軸方向の加速度が加わ ると、捩り梁11aを支点としてY軸方向用錘部12 aが揺動する。このように錘部12aが揺動して� �位することにより、対向した固定電極14a,14b� ��の間の距離が変わり、その距離の変化によ� ��静電容量の変化を差動容量として検出する� ��とができ、その静電容量変化で加速度を測� ��することができる。また、Z軸方向の加速度 が加わると、撓み梁11cによりZ軸方向用錘部12 cが昇降する。このように錘部12cが昇降して� �位することにより、対向した固定電極14eと� �間の距離が変わり、その距離の変化による� �電容量の変化を固定電極14fとの差動容量と� �て検出することができ、その静電容量変化� �加速度を測定することができる。

 次に、上記構成を有する静電容量型加速度� ��ンサの製造方法の一例について説明する。
 図6(a)~(c)、図7(a),(b)、図8(a),(b)、図9(a)~(c)は� �本発明に係る静電容量型加速度センサの製� �方法を説明するための図である。

 図6(a)に示すように、シリコン基板16の一� ��の主面にフォトリソグラフィ及びドライエ� ��チングにより導電部材16c,16d,16eとなる突出� �を形成する。次いで、シリコン基板16の突出 部上にガラス基板13を載せ、図6(b)に示すよう に、加熱しながら押圧してガラス基板13に突� ��部を埋め込むようにして両基板を接合する� ��その後、図6(c)に示すように、得られた複合 体の両主面を研磨して、導電部材16c,16d,16eを� ��主面で露出させる。なお、図6は、図2(b)に� �応する構成に基づいて示しているが、図2(a)� ��対応する構成も同時に形成される。すなわ� ��、X軸方向用錘部12b及びY軸方向用錘部12aに� �応する固定電極14a,14b,14c,14dに対する導電部� �も同様に形成される。

 次いで、図7(a)に示すように、図6(c)に示� �構造体に対して、フォトリソグラフィ及び� �ライエッチングにより、一方の主面に凹部13 cを形成する。この凹部13cの深さは、錘部と� �定電極との間のギャップに相当する。次い� �、図7(b)に示すように、露出した導電部材16c, 16d,16e上にスパッタリングにより電極材料を� �着し、フォトリソグラフィ及びエッチング� �より、それぞれ固定電極14e,14f及び電極19を� �成する。

 次いで、図8(a)に示すように、活性層11f、 絶縁層11d及びベース層11eを有するSOI基板(シ� �コン製基板11)の活性層11fをフォトリソグラ� �ィ及びエッチングにより撓み梁11cを形成す� �。なお、SOI基板の活性層11fの厚さが梁の厚� �に相当する。次いで、図8(b)に示すように、� ��ース層11eの錘部を形成する領域にフォトリ� ��グラフィ及びエッチングにより凹部11gを形� ��する。なお、図8は、図2(b)に対応する構成� �基づいて示しているが、図2(a)に対応する構� ��も同時に形成される。すなわち、X軸方向用 錘部12b及びY軸方向用錘部12aに対応する捩り� �11a,11bや凹部11gも同様に形成される。

 次いで、図9(a)に示すように、図7(b)に示� �構造のガラス基板13の凹部13cをSOI基板の活性 層11fが覆うようにして、図8(b)に示すシリコ� �製基板11を積層し、両基板11,13を接合する。� ��のとき、陽極接合により接合を行うことが� ��ましい。次いで、図9(b)に示すように、SOI基 板のベース層及び絶縁層11dの所定の部分をフ ォトリソグラフィ及びエッチングにより除去 してZh軸方向用錘部12cを形成する。次いで、� ��9(c)に示すように、SOI基板のベース層11e上に ガラス基板15を接合する。このとき、陽極接� ��により接合を行うことが好ましい。次いで� ��ガラス基板13の主面に露出した導電部材16c,1 6d,16e上にそれぞれ電極材料を被着し、フォト リソグラフィ及びエッチングにより、それぞ れ引き出し電極17c,17d,17eを形成する。

 このようにして得られた静電容量型加速� ��センサは、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の� ��速度を独立して検出することができる。す� ��わち、他軸感度が低いので、他軸方向の加� ��度成分の干渉がない状態で各軸方向の加速� ��を検出することができる。これにより、加� ��度検出のための演算が簡単であり、信号回� ��の負荷を小さくすることができる。また、� ��軸方向の加速度は、差動方式により算出す� ��ので、精度良く求めることができる。

 本発明は上記実施の形態に限定されず、� ��々変更して実施することができる。上記実� ��の形態においては、ガラス基板とシリコン� ��基板を用いた場合について説明しているが� ��本発明においては、ガラス基板やシリコン� ��基板以外の基板を用いても良い。また、セ� ��サにおける電極や各層の厚さや材質につい� ��は本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設� ��することができる。また、上記実施の形態� ��説明したプロセスについてはこれに限定さ� ��ず、工程間の適宜順序を変えて実施しても� ��い。例えば、ギャップの形成をガラス基板1 3のエッチングによって行っているが、対向� �であるSOI基板11の側に行っても良い。その他 、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにお いて適宜変更することが可能である。