JP2015017819A - Acceleration sensor - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor capable of reducing output errors.SOLUTION: An acceleration sensor is a differential capacitance acceleration sensor that comprises: an X detection unit 10 detecting and outputting an X-direction acceleration using a first movable electrode 11; a Y detection unit 20 detecting and outputting a Y-direction acceleration using a second movable electrode 21; a Z detection unit 30 detecting and outputting a Z-direction acceleration using a third movable electrode 31; and an automatic correction circuit 220 subtracting a correction value represented by a polynominal expression (Aa^3+Ba^5+...) from an acceleration a, where a is the acceleration output from each of the X detection unit 10, the Y detection unit 20, and the Z detection unit 30 and A and B are correction coefficients.

Description

Translated fromJapanese

本発明は、加速度センサに関する。  The present invention relates to an acceleration sensor.

従来、差動容量型の加速度センサの出力を補正する技術が知られている。例えば、特許文献１の段落００４０には、「複数の測定結果および較正サンプルは、ＤＡＣ訂正表を形成するＸ−Ｙ対の表に配列される。Ｘ−Ｙ配列は、三次スプライン補間を使用して正確に設定された較正出力電圧レベルを供給する。」と記載されている。その他、補正機能を備えた加速度センサや角速度センサなどに関する先行技術文献として、特許文献２〜４などがある。  Conventionally, a technique for correcting the output of a differential capacitance type acceleration sensor is known. For example, in paragraph 0040 ofPatent Document 1, “a plurality of measurement results and calibration samples are arranged in a table of XY pairs forming a DAC correction table. The XY array uses cubic spline interpolation. Provides a precisely set calibration output voltage level. " Other prior art documents related to acceleration sensors and angular velocity sensors having a correction function includePatent Documents 2 to 4.

特表２０１１−５２０１２８号公報Special table 2011-520128 gazette特開２００８−１７０２９４号公報JP 2008-170294 A特開２００５−３０８５３１号公報JP 2005-308531 A特開平０６−３３１６４７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-331647

理想的な加速度センサによれば、印加する加速度に対して出力が比例するが、実際の出力には誤差が含まれるのが現状である。加速度センサの利用分野が増えるに伴い、加速度センサの高精度、高信頼性を実現することが望まれている。  According to an ideal acceleration sensor, the output is proportional to the applied acceleration, but the actual output currently includes an error. As the application field of acceleration sensors increases, it is desired to realize high accuracy and high reliability of acceleration sensors.

そこで、本発明は、出力誤差を低減することのできる加速度センサを得ることを目的とする。  Therefore, an object of the present invention is to obtain an acceleration sensor that can reduce an output error.

本発明は、差動容量型の加速度センサであって、外部から与えられた加速度に応じて可動する可動電極と、前記可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する検出部と、前記検出部から出力される加速度をａ、補正係数をＡ、Ｂ、・・・とすると、３次以上の奇数次の項からなる多項式（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）によって表される補正値を加速度ａから引き算する自動補正回路とを備えることを特徴とする。  The present invention is a differential capacitance type acceleration sensor, a movable electrode movable according to an acceleration given from the outside, a detection unit for detecting and outputting an acceleration in a predetermined direction using the movable electrode, If the acceleration output from the detection unit is a and the correction coefficients are A, B,..., The correction is expressed by a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +. And an automatic correction circuit for subtracting the value from the acceleration a.

また、本発明において、前記自動補正回路は、平行平板型の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとすると、前記加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとしてもよい。In the present invention, the automatic correction circuit detects the acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, and the initial electrostatic gap is d_0. When the gap change amount is Δd, the acceleration a may be Y shown below, and the correction coefficients may be A, B... N shown below.

Ｙ＝εＳ×{−２Δｄ／（ｄ_０^２−Δｄ^２）}
Ａ＝−２・Δｄ^３εＳ／ｄ_０^４
Ｂ＝−２・Δｄ^５εＳ／ｄ_０^６
：
Ｎ＝−２・Δｄ^２ｎ＋１εＳ／ｄ_０^２ｎ＋２
また、本発明において、前記自動補正回路は、トーション方式の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとすると、前記加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとしてもよい。Y = εS × {−2Δd / (d₀² −Δd² )}
A = −2 · Δd³ εS / d₀⁴
B = −2 · Δd⁵ εS / d₀⁶
:
N = −2 · Δd^{2n + 1} εS / d₀^{2n + 2}
In the present invention, the automatic correction circuit detects the acceleration by changing the torsion type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, the initial electrostatic gap is d₀ , When the gap change amount is Δd, the acceleration a may be Y shown below, and the correction coefficients may be A, B... N shown below.

Ｙ＝εＳ／Δｄ×ｌｎ{（ｄ_０^２−Δｄ^２）／ｄ_０^２}
Ａ＝−Δｄ^３εＳ／２ｄ_０^４
Ｂ＝−Δｄ^５εＳ／３ｄ_０^６
：
Ｎ＝−Δｄ^２ｎ＋１εＳ／{（ｎ×１）×ｄ_０^２ｎ＋２}Y = εS / Δd × ln {(d₀² −Δd² ) / d₀² }
A = −Δd³ εS / 2d₀⁴
B = −Δd⁵ εS / 3d₀⁶
:
N = −Δd^{2n + 1} εS / {(n × 1) × d₀^{2n + 2} }

本発明によれば、出力誤差を低減することのできる加速度センサを提供することが可能となる。  ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the acceleration sensor which can reduce an output error.

図１は、実施形態にかかる加速度センサを内蔵したパッケージの内部構成例を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating an internal configuration example of a package incorporating the acceleration sensor according to the embodiment.図２は、実施形態にかかる加速度センサの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the embodiment.図３は、実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、（ａ）はＸ検出部の断面図、（ｂ）はＺ検出部の断面図である。3A and 3B are cross-sectional views of the acceleration sensor according to the embodiment, in which FIG. 3A is a cross-sectional view of the X detection unit, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the Z detection unit.図４は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｘ方向の加速度が印加されていない状態におけるＸ検出部の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the X detection unit in the state where no acceleration in the X direction is applied in the acceleration sensor according to the embodiment.図５は、図４に示される状態においてＸ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG.図６は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｘ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＸ検出部の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the X detection unit in a state where 1 G acceleration is applied in the X direction in the acceleration sensor according to the embodiment.図７は、図６に示される状態においてＸ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the X direction in the state shown in FIG.図８は、実施形態にかかる加速度センサにおいて、Ｚ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＺ検出部の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the Z detection unit in a state where 1 G acceleration is applied in the Z direction in the acceleration sensor according to the embodiment.図９は、図８に示される状態においてＺ方向の加速度を検出する原理を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of detecting the acceleration in the Z direction in the state shown in FIG.図１０は、理想的な加速度センサと実際の加速度センサ（比較例）の出力特性を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing output characteristics of an ideal acceleration sensor and an actual acceleration sensor (comparative example).図１１は、実施形態にかかる加速度センサの要部の機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram of a main part of the acceleration sensor according to the embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下では、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, below, while attaching | subjecting a common code | symbol to the same component, the overlapping description is abbreviate | omitted.

〔パッケージの内部構成〕
図１は、実施形態にかかる加速度センサを搭載したパッケージ３００の内部構成例を示す斜視図である。ここでは、基板５００に実装されたパッケージ３００の蓋を開けた状態を示している。この図に示すように、パッケージ３００には、センサチップ１００や、センサチップ１００からの出力に基づいて各種の演算を行うＡＳＩＣ２００等が搭載されている。パッケージ３００から端子４００が引き出され、基板５００に接続されている。この加速度センサは静電容量型の加速度センサであり、ＭＥＭＳ技術で製造される。ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出するため、各軸個別の重り（可動電極）を形成し、センサチップ１００内に配置している。[Internal structure of the package]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an internal configuration example of apackage 300 on which the acceleration sensor according to the embodiment is mounted. Here, a state in which the lid of thepackage 300 mounted on thesubstrate 500 is opened is shown. As shown in this figure, thepackage 300 is mounted with asensor chip 100, an ASIC 200 that performs various calculations based on the output from thesensor chip 100, and the like.Terminals 400 are drawn from thepackage 300 and connected to thesubstrate 500. This acceleration sensor is a capacitance type acceleration sensor and is manufactured by MEMS technology. In order to detect the acceleration in the three axis directions of XYZ, a weight (movable electrode) for each axis is formed and arranged in thesensor chip 100.

〔加速度センサの構成〕
図２は、実施形態にかかる加速度センサ（センサチップ１００）の分解斜視図である。この図に示すように、センサ部１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサ部１は、シリコンＳＯＩ基板等により形成され、上部固定板２ａと下部固定板２ｂは、ガラス等の絶縁体により形成されている。[Configuration of acceleration sensor]
FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor (sensor chip 100) according to the embodiment. As shown in the figure, the upper and lower surfaces of thesensor unit 1 are sandwiched between anupper fixing plate 2a and alower fixing plate 2b. Thesensor unit 1 is formed of a silicon SOI substrate or the like, and theupper fixing plate 2a and thelower fixing plate 2b are formed of an insulator such as glass.

以下、センサ部１のうち、Ｘ方向の加速度を検出する部分を「Ｘ検出部１０」、Ｙ方向の加速度を検出する部分を「Ｙ検出部２０」、Ｚ方向の加速度を検出する部分を「Ｚ検出部３０」と呼ぶことにする。Ｘ方向は、平面方向のうちの一方向である。Ｙ方向は、平面方向のうちの一方向であってＸ方向と直交する方向である。Ｚ方向は、垂直方向である。  Hereinafter, in thesensor unit 1, the part that detects the acceleration in the X direction is “X detection part 10”, the part that detects the acceleration in the Y direction is “Y detection part 20”, and the part that detects the acceleration in the Z direction is “ This will be referred to as “Z detection unit 30”. The X direction is one of the planar directions. The Y direction is one of the planar directions and is a direction orthogonal to the X direction. The Z direction is the vertical direction.

Ｘ検出部１０は、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを軸にして第１の可動電極１１を揺動させることによりＸ方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部１２ａ，１２ｂを結ぶ直線を境界線として第１の可動電極１１の表面の一方側及び他方側に対向させて第１の固定電極１３ａ，１３ｂを配置している。これにより、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＸ方向の加速度を検出することができる。  TheX detector 10 detects the acceleration in the X direction by swinging the firstmovable electrode 11 around the pair ofbeam portions 12a and 12b. That is, the firstfixed electrodes 13a and 13b are arranged so as to face one side and the other side of the surface of the firstmovable electrode 11 with a straight line connecting the pair ofbeam portions 12a and 12b as a boundary line. Thereby, the acceleration in the X direction can be detected based on the change in capacitance between the firstmovable electrode 11 and the firstfixed electrodes 13a and 13b.

Ｙ検出部２０は、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを軸にして第２の可動電極２１を揺動させることによりＹ方向の加速度を検出する。すなわち、一対のビーム部２２ａ，２２ｂを結ぶ直線を境界線として第２の可動電極２１の表面の一方側及び他方側に対向させて第２の固定電極２３ａ，２３ｂを配置している。これにより、第２の可動電極２１と第２の固定電極２３ａ，２３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＹ方向の加速度を検出することができる。  TheY detector 20 detects the acceleration in the Y direction by swinging the secondmovable electrode 21 around the pair ofbeam portions 22a and 22b. That is, the second fixedelectrodes 23a and 23b are arranged to face one side and the other side of the surface of the secondmovable electrode 21 with a straight line connecting the pair ofbeam portions 22a and 22b as a boundary line. Thereby, the acceleration of a Y direction is detectable based on the change of the electrostatic capacitance between the 2ndmovable electrode 21 and 2ndfixed electrode 23a, 23b.

Ｚ検出部３０は、二対のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより保持された第３の可動電極３１を垂直方向に平行移動させることによりＺ方向の加速度を検出する。すなわち、第３の可動電極３１の表面及び裏面に対向させて第３の固定電極３３ａ，３３ｂを配置している。これにより、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ａ，３３ｂとの間の静電容量の変化に基づいてＺ方向の加速度を検出することができる。  TheZ detection unit 30 detects the acceleration in the Z direction by translating the thirdmovable electrode 31 held by the two pairs ofbeam units 32a, 32b, 32c, and 32d in the vertical direction. That is, the thirdfixed electrodes 33a and 33b are arranged to face the front and back surfaces of the thirdmovable electrode 31. Thereby, the acceleration of a Z direction is detectable based on the change of the electrostatic capacitance between the 3rdmovable electrode 31 and the 3rdfixed electrodes 33a and 33b.

Ｘ検出部１０とＹ検出部２０は互いに９０°回転させただけの同形状とし、これらを別形状のＺ検出部３０の両側に並べて１チップ内に配置している。すなわち、図２に示すように、フレーム部３には、３つの矩形枠１０ａ，２０ａ，３０ａが直線状に並んで形成されている。矩形枠１０ａには第１の可動電極１１が配置され、矩形枠２０ａには第２の可動電極２１が配置され、矩形枠３０ａには第３の可動電極３１が配置されている。第１〜第３の可動電極１１，２１，３１はいずれも略矩形形状である。第１〜第３の可動電極１１，２１，３１と矩形枠１０ａ，２０ａ，３０ａの側壁部との間には所定サイズの隙間が空いた状態となっている。  TheX detection unit 10 and theY detection unit 20 have the same shape that is simply rotated by 90 °, and are arranged on one side of theZ detection unit 30 in a different shape. That is, as shown in FIG. 2, theframe portion 3 is formed with threerectangular frames 10a, 20a, 30a arranged in a straight line. The firstmovable electrode 11 is disposed in therectangular frame 10a, the secondmovable electrode 21 is disposed in therectangular frame 20a, and the thirdmovable electrode 31 is disposed in therectangular frame 30a. Each of the first to thirdmovable electrodes 11, 21, 31 has a substantially rectangular shape. A gap of a predetermined size is left between the first to thirdmovable electrodes 11, 21, 31 and the side walls of therectangular frames 10a, 20a, 30a.

図３は、実施形態にかかる加速度センサの断面図であって、（ａ）はＸ検出部１０の断面を示し、（ｂ）はＺ検出部３０の断面を示している。Ｙ検出部２０の断面はＸ検出部１０と同様であるため、ここでは図示を省略している。  3A and 3B are cross-sectional views of the acceleration sensor according to the embodiment, in which FIG. 3A shows a cross section of theX detector 10 and FIG. 3B shows a cross section of theZ detector 30. Since the cross section of theY detection unit 20 is the same as that of theX detection unit 10, the illustration is omitted here.

まず、Ｘ検出部１０の断面は、図３（ａ）に示す通りである。すなわち、第１の可動電極１１の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠１０ａの側壁部とを一対のビーム部１２ａ，１２ｂで連結することにより、第１の可動電極１１がフレーム部３に対して揺動自在に支持されている。上部固定板２ａの第１の可動電極１１と対向する側には、ビーム部１２ａとビーム部１２ｂを結ぶ直線を境界線として第１の固定電極１３ａ，１３ｂが設けられている。第１の固定電極１３ａ，１３ｂは、第１の貫通電極１４ａ，１４ｂを用いて上部固定板２ａの上面（一方側）に引き出されている。第１の貫通電極１４ａ，１４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第１の貫通電極１４ａ，１４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。  First, the cross section of theX detector 10 is as shown in FIG. That is, the firstmovable electrode 11 is connected to the frame portion by connecting the substantially central portion of the two opposing sides of the surface of the firstmovable electrode 11 and the side wall portion of therectangular frame 10a with the pair ofbeam portions 12a and 12b. 3 is swingably supported. On the side of the upper fixedplate 2a facing the firstmovable electrode 11, firstfixed electrodes 13a and 13b are provided with a straight line connecting thebeam portion 12a and thebeam portion 12b as a boundary line. The firstfixed electrodes 13a and 13b are drawn out to the upper surface (one side) of the upper fixedplate 2a using the first throughelectrodes 14a and 14b. The material of the first throughelectrodes 14a and 14b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the first throughelectrodes 14a and 14b is an insulator such as glass.

Ｙ検出部２０についても同様である。すなわち、第２の可動電極２１の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠２０ａの側壁部とを一対のビーム部２２ａ，２２ｂで連結することにより、第２の可動電極２１がフレーム部３に対して揺動自在に支持されている。上部固定板２ａの第２の可動電極２１と対向する側には、ビーム部２２ａとビーム部２２ｂを結ぶ直線を境界線として第２の固定電極２３ａ，２３ｂが設けられている。第２の固定電極２３ａ，２３ｂは、第２の貫通電極２４ａ，２４ｂを用いて上部固定板２ａの上面に引き出されている。第２の貫通電極２４ａ，２４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第２の貫通電極２４ａ，２４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。  The same applies to theY detector 20. That is, the secondmovable electrode 21 is connected to the frame portion by connecting the substantially central portion of two opposing sides of the surface of the secondmovable electrode 21 and the side wall portion of therectangular frame 20a with a pair ofbeam portions 22a and 22b. 3 is swingably supported. On the side of the upper fixedplate 2a facing the secondmovable electrode 21, secondfixed electrodes 23a and 23b are provided with a straight line connecting thebeam portion 22a and thebeam portion 22b as a boundary line. The secondfixed electrodes 23a and 23b are drawn to the upper surface of the upper fixedplate 2a using the second throughelectrodes 24a and 24b. The material of the second throughelectrodes 24a and 24b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the second throughelectrodes 24a and 24b is an insulator such as glass.

更に、Ｚ検出部３０の断面は、図３（ｂ）に示す通りである。すなわち、第３の可動電極３１の四隅と矩形枠３０ａの側壁部とを二対のＬ字形のビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄで連結することにより、第３の可動電極３１が垂直方向に平行移動可能になっている。ビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの形状は特に限定されるものではないが、Ｌ字形にすれば、ビーム部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを長くすることができる。上部固定板２ａの第３の可動電極３１と対向する側には第３の固定電極３３ａが設けられ、下部固定板２ｂの第３の可動電極３１と対向する側には第３の固定電極３３ｂが設けられている。第３の固定電極３３ａは、第３の貫通電極３４ａを用いて上部固定板２ａの上面に引き出されている。第３の固定電極３３ｂは、矩形領域３３ｂ１から突き出した突出領域３３ｂ２を備えている（図２参照）。突出領域３３ｂ２は、第３の可動電極３１とは分離された柱状の固定電極３４ｃに接続され、柱状の固定電極３４ｃは、上部固定板２ａに設けられた第３の貫通電極３４ｂに接続される構成となっている。これにより、柱状の固定電極３４ｃ及び第３の貫通電極３４ｂを用いて第３の固定電極３３ｂを上部固定板２ａの上面に引き出すことができる。第３の貫通電極３４ａ，３４ｂの材質は、シリコンやタングステン、銅等の導体であり、第３の貫通電極３４ａ，３４ｂを保持する周囲の材質は、ガラス等の絶縁体である。  Furthermore, the cross section of theZ detection unit 30 is as shown in FIG. That is, by connecting the four corners of the thirdmovable electrode 31 and the side wall portion of therectangular frame 30a by two pairs of L-shapedbeam portions 32a, 32b, 32c, and 32d, the thirdmovable electrode 31 is moved vertically. It can be translated. The shapes of thebeam portions 32a, 32b, 32c, and 32d are not particularly limited. However, if thebeam portions 32a, 32b, 32c, and 32d are L-shaped, thebeam portions 32a, 32b, 32c, and 32d can be lengthened. A thirdfixed electrode 33a is provided on the side of the upper fixedplate 2a facing the thirdmovable electrode 31, and a thirdfixed electrode 33b is provided on the side of the lower fixedplate 2b facing the thirdmovable electrode 31. Is provided. The thirdfixed electrode 33a is drawn to the upper surface of the upper fixedplate 2a using the third throughelectrode 34a. The thirdfixed electrode 33b includes a protruding area 33b2 protruding from the rectangular area 33b1 (see FIG. 2). The protruding region 33b2 is connected to a columnar fixedelectrode 34c separated from the thirdmovable electrode 31, and the columnar fixedelectrode 34c is connected to a third throughelectrode 34b provided on the upper fixedplate 2a. It has a configuration. Thus, the thirdfixed electrode 33b can be drawn out to the upper surface of the upper fixedplate 2a using the columnar fixedelectrode 34c and the third throughelectrode 34b. The material of the third throughelectrodes 34a and 34b is a conductor such as silicon, tungsten, or copper, and the surrounding material that holds the third throughelectrodes 34a and 34b is an insulator such as glass.

〔Ｘ方向の加速度検出原理〕
次に、Ｘ方向の加速度検出原理について説明する。まず、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、電極の対向ギャップをｄとした場合、静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄにより算出することができる。加速度により可動電極が回転すると、対向ギャップｄが変化するため、静電容量Ｃが変化する。そこで、ＡＳＩＣ２００により差分容量（Ｃ１−Ｃ２）をＣＶ変換する。出力誤差を低減する方法については後述する。[X-direction acceleration detection principle]
Next, the principle of acceleration detection in the X direction will be described. First, when the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, and the opposing gap of the electrode is d, the capacitance C can be calculated by C = εS / d. When the movable electrode rotates due to acceleration, the facing gap d changes, so that the capacitance C changes. Therefore, the differential capacity (C1-C2) is CV-converted by theASIC 200. A method for reducing the output error will be described later.

図４は、Ｘ方向の加速度が印加されていない状態におけるＸ検出部１０の断面を示している。この場合、図５に示すように、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は等しくなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値（Ｃ１−Ｃ２＝０）を算出し、Ｘ出力として出力する。  FIG. 4 shows a cross section of theX detection unit 10 in a state where no acceleration in the X direction is applied. In this case, as shown in FIG. 5, the capacitances C1 and C2 between the firstmovable electrode 11 and the firstfixed electrodes 13a and 13b are equal. TheASIC 200 calculates a difference value (C1−C2 = 0) between the electrostatic capacitance C1 and the electrostatic capacitance C2 and outputs it as an X output.

図６は、Ｘ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＸ検出部１０の断面を示している。この場合、図７に示すように、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ａとの間の静電容量Ｃ１は寄生容量＋ΔＣとなり、第１の可動電極１１と第１の固定電極１３ｂとの間の静電容量Ｃ２は寄生容量−ΔＣとなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値（Ｃ１−Ｃ２＝２ΔＣ）を算出し、Ｘ出力として出力する。  FIG. 6 shows a cross section of theX detection unit 10 in a state where 1 G acceleration is applied in the X direction. In this case, as shown in FIG. 7, the electrostatic capacitance C1 between the firstmovable electrode 11 and the firstfixed electrode 13a becomes a parasitic capacitance + ΔC, and the firstmovable electrode 11 and the firstfixed electrode 13b. The capacitance C2 between and is a parasitic capacitance −ΔC. TheASIC 200 calculates a difference value (C1−C2 = 2ΔC) between the electrostatic capacitance C1 and the electrostatic capacitance C2 and outputs it as an X output.

このように、Ｘ検出部１０は、静電容量の変化に基づいてＸ方向の加速度を検出するようになっている。Ｙ検出部２０がＹ方向の加速度を検出する原理も同様である。  As described above, theX detection unit 10 detects the acceleration in the X direction based on the change in capacitance. The principle by which theY detection unit 20 detects acceleration in the Y direction is the same.

〔Ｚ方向の加速度検出原理〕
図８は、Ｚ方向に１Ｇの加速度が印加された状態におけるＺ検出部３０の断面を示している。この場合、図９に示すように、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ａとの間の静電容量Ｃ５は寄生容量＋ΔＣとなり、第３の可動電極３１と第３の固定電極３３ｂとの間の静電容量Ｃ６は寄生容量−ΔＣとなる。ＡＳＩＣ２００は、静電容量Ｃ５と静電容量Ｃ６の差分値（Ｃ５−Ｃ６＝２ΔＣ）を算出し、Ｚ出力として出力する。このように、Ｚ検出部３０は、静電容量の変化に基づいてＺ方向の加速度を検出するようになっている。[Z-direction acceleration detection principle]
FIG. 8 shows a cross section of theZ detection unit 30 in a state where 1 G acceleration is applied in the Z direction. In this case, as shown in FIG. 9, the capacitance C5 between the thirdmovable electrode 31 and the thirdfixed electrode 33a becomes a parasitic capacitance + ΔC, and the thirdmovable electrode 31 and the thirdfixed electrode 33b. The capacitance C6 between and is a parasitic capacitance −ΔC. TheASIC 200 calculates a difference value (C5−C6 = 2ΔC) between the capacitance C5 and the capacitance C6, and outputs it as a Z output. Thus, theZ detection unit 30 detects the acceleration in the Z direction based on the change in capacitance.

〔出力誤差〕
図１０は、理想的な加速度センサと実際の加速度センサ（比較例）の出力特性を示すグラフである。この図に示すように、理想的な加速度センサの出力（理想出力）Ｏ１は、印加する加速度に比例する。それに対して、実際の加速度センサの出力Ｏ２には、図中の矢印に示すような誤差が含まれるのが現状である。以下、平行平板型の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合（図８参照）を例示して説明する。[Output error]
FIG. 10 is a graph showing output characteristics of an ideal acceleration sensor and an actual acceleration sensor (comparative example). As shown in this figure, an ideal acceleration sensor output (ideal output) O1 is proportional to the applied acceleration. On the other hand, the actual acceleration sensor output O2 currently includes an error as indicated by an arrow in the figure. Hereinafter, a case where acceleration is detected by changing the parallel plate type electrostatic gap d (see FIG. 8) will be described as an example.

まず、加速度印加時の第３の可動電極３１の変化量は次式により表すことができる（フックの法則）。ａは印加加速度、ｍは第３の可動電極３１の重さ、ｋはばね定数、Δｄは第３の可動電極３１の変化量（ギャップ変化量）である。  First, the amount of change of the thirdmovable electrode 31 when acceleration is applied can be expressed by the following equation (Hooke's law). a is an applied acceleration, m is the weight of the thirdmovable electrode 31, k is a spring constant, and Δd is a change amount (gap change amount) of the thirdmovable electrode 31.

Δｄ＝ｍａ／ｋ
また、加速度印加時の静電容量Ｃ５、Ｃ６は次式により表すことができる。εは誘電率、ｄ_０は初期静電ギャップ、Ｓは電極の対向面積である。Δd = ma / k
Further, the capacitances C5 and C6 at the time of acceleration application can be expressed by the following equations. ε is the dielectric constant, d₀ is the initial electrostatic gap, and S is the opposing area of the electrodes.

Ｃ５＝ε×Ｓ／（ｄ_０＋Δｄ）
Ｃ６＝ε×Ｓ／（ｄ_０−Δｄ）
そのため、差動容量は次式のようになる。C5 = ε × S / (d₀ + Δd)
C6 = ε × S / (d₀ −Δd)
Therefore, the differential capacitance is as follows:

Ｃ５−Ｃ６＝εＳ×{−２Δｄ／（ｄ_０^２−Δｄ^２）}
このような差動容量は、正確には直線の出力ではなく、誤差を含んでいる。そこで、本実施形態にかかる加速度センサは、出力誤差を低減するため、以下の構成を採用している。C5-C6 = εS × {−2Δd / (d₀² −Δd² )}
Such a differential capacitor does not accurately output a straight line but includes an error. Therefore, the acceleration sensor according to the present embodiment employs the following configuration in order to reduce output errors.

〔機能ブロック図〕
図１１は、実施形態にかかる加速度センサの要部の機能ブロック図である。この図に示すように、ＡＳＩＣ２００は、入力加速度ａから補正値を引き算することで理想出力Ｏ１からのずれ（誤差）を補正する自動補正回路２２０を備える。補正値は、入力加速度ａを変数とする多項式（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）から算出するようになっている。[Function block diagram]
FIG. 11 is a functional block diagram of a main part of the acceleration sensor according to the embodiment. As shown in this figure, theASIC 200 includes anautomatic correction circuit 220 that corrects a deviation (error) from the ideal output O1 by subtracting a correction value from the input acceleration a. The correction value is calculated from a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) With the input acceleration a as a variable.

具体的には、演算回路２２１は、Ｘ検出部１０から出力される加速度ａから補正値（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）を引き算して出力する。また、演算回路２２２は、Ｙ検出部２０から出力される加速度ａから補正値（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）を引き算して出力する。更に、演算回路２２３は、Ｚ検出部３０から出力される加速度ａから補正値（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）を引き算して出力する。このように、３次以上の奇数次の項からなる多項式（奇関数）を補正値とすると、直線性の補正を実現することができる。すなわち、従来に比べて加速度センサの出力を理想出力Ｏ１に近づけることができる。  Specifically, thearithmetic circuit 221 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from theX detection unit 10 and outputs the result. Thearithmetic circuit 222 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from theY detector 20 and outputs the result. Further, thearithmetic circuit 223 subtracts the correction value (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) From the acceleration a output from theZ detector 30 and outputs the result. As described above, when a polynomial (odd function) composed of odd-order terms of the third order or higher is used as a correction value, linearity correction can be realized. That is, the output of the acceleration sensor can be made closer to the ideal output O1 as compared with the conventional case.

ここで、Ｚ検出部３０がＺ方向の加速度を検出する場合など、平行平板型の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合（図８参照）、加速度ａは、以下に示すＹで表すことができる。この場合、補正係数は、以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとするのが好ましい。これにより、加速度センサの出力を理想出力Ｏ１により近づけることができる。  Here, when the acceleration is detected by changing the parallel plate electrostatic gap d (see FIG. 8), such as when theZ detection unit 30 detects acceleration in the Z direction, the acceleration a is represented by the following Y Can be expressed as In this case, the correction coefficients are preferably set to A, B. Thereby, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1.

Ｙ＝εＳ×{−２Δｄ／（ｄ_０^２−Δｄ^２）}
Ａ＝−２・Δｄ^３εＳ／ｄ_０^４
Ｂ＝−２・Δｄ^５εＳ／ｄ_０^６
：
Ｎ＝−２・Δｄ^２ｎ＋１εＳ／ｄ_０^２ｎ＋２
もちろん、補正値は、３次式（Ａａ＾３）であってもよい。この場合も、加速度ａは、上記のＹで表すことができ、補正係数Ａも、上記した通り、Ａ＝−２・Δｄ^３εＳ／ｄ_０^４とする。Y = εS × {−2Δd / (d₀² −Δd² )}
A = −2 · Δd³ εS / d₀⁴
B = −2 · Δd⁵ εS / d₀⁶
:
N = −2 · Δd^{2n + 1} εS / d₀^{2n + 2}
Of course, the correction value may be a cubic equation (Aa ^ 3). In this case as well, the acceleration a can be expressed by Y, and the correction coefficient A is also set to A = −2 · Δd³ εS / d₀^{4 as} described above.

一方、Ｘ検出部１０がＸ方向の加速度を検出する場合やＹ検出部２０がＹ方向の加速度を検出する場合など、トーション方式の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合（図６参照）、加速度ａは、以下に示すＹで表すことができる。この場合、補正係数は、以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとするのが好ましい。これにより、加速度センサの出力を理想出力Ｏ１により近づけることができる。  On the other hand, when theX detection unit 10 detects acceleration in the X direction, or when theY detection unit 20 detects acceleration in the Y direction, the acceleration is detected by changing the torsional electrostatic gap d (see FIG. 6), acceleration a can be represented by Y shown below. In this case, the correction coefficients are preferably set to A, B. Thereby, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1.

Ｙ＝εＳ／Δｄ×ｌｎ{（ｄ_０^２−Δｄ^２）／ｄ_０^２}
Ａ＝−Δｄ^３εＳ／２ｄ_０^４
Ｂ＝−Δｄ^５εＳ／３ｄ_０^６
：
Ｎ＝−Δｄ^２ｎ＋１εＳ／{（ｎ×１）×ｄ_０^２ｎ＋２}
もちろん、補正値は、３次式（Ａａ＾３）であってもよい。この場合も、加速度ａは、上記のＹで表すことができ、補正係数Ａも、上記した通り、Ａ＝−Δｄ^３εＳ／２ｄ_０^４とする。Y = εS / Δd × ln {(d₀² −Δd² ) / d₀² }
A = −Δd³ εS / 2d₀⁴
B = −Δd⁵ εS / 3d₀⁶
:
N = −Δd^{2n + 1} εS / {(n × 1) × d₀^{2n + 2} }
Of course, the correction value may be a cubic equation (Aa ^ 3). Also in this case, the acceleration a can be expressed by the above Y, and the correction coefficient A is also set to A = −Δd³ εS / 2d₀^{4 as} described above.

以上説明したように、実施形態にかかる加速度センサは、差動容量型の加速度センサであって、可動電極（第１の可動電極１１、第２の可動電極２１、又は第３の可動電極３１）と、検出部（Ｘ検出部１０、Ｙ検出部２０、又はＺ検出部３０）と、自動補正回路２２０とを備える。可動電極は、外部から与えられた加速度に応じて可動する。検出部は、可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する。自動補正回路２２０は、検出部から出力される加速度をａ、補正係数をＡ、Ｂ、・・・とすると、３次以上の奇数次の項からなる多項式（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）によって表される補正値を加速度ａから引き算する。これにより、従来に比べて加速度センサの出力を理想出力Ｏ１に近づけることができるため、従来に比べて出力誤差を低減することが可能である。  As described above, the acceleration sensor according to the embodiment is a differential capacitance type acceleration sensor, and is a movable electrode (firstmovable electrode 11, secondmovable electrode 21, or third movable electrode 31). A detection unit (X detection unit 10,Y detection unit 20, or Z detection unit 30) and anautomatic correction circuit 220. The movable electrode moves in accordance with the acceleration given from the outside. The detection unit detects and outputs an acceleration in a predetermined direction using the movable electrode. Theautomatic correction circuit 220 is a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +...) Composed of odd-order terms of the third order or higher, where a is the acceleration output from the detection unit and A, B,. Is subtracted from the acceleration a. As a result, the output of the acceleration sensor can be made closer to the ideal output O1 as compared with the conventional case, so that the output error can be reduced as compared with the conventional case.

また、自動補正回路２２０は、平行平板型の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとするのが好ましい。ここでも、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとしている。これにより、加速度センサの出力を理想出力Ｏ１により近づけることができるため、より出力誤差を低減することが可能である。Further, when theautomatic correction circuit 220 detects acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficients are set to A, B... N shown below. Is preferable. Here, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrodes is S, the initial electrostatic gap is d₀ , and the gap change amount is Δd. As a result, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1, and the output error can be further reduced.

Ｙ＝εＳ×{−２Δｄ／（ｄ_０^２−Δｄ^２）}
Ａ＝−２・Δｄ^３εＳ／ｄ_０^４
Ｂ＝−２・Δｄ^５εＳ／ｄ_０^６
：
Ｎ＝−２・Δｄ^２ｎ＋１εＳ／ｄ_０^２ｎ＋２
一方、自動補正回路２２０は、トーション方式の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとするのが好ましい。ここでも、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとしている。これにより、加速度センサの出力を理想出力Ｏ１により近づけることができるため、より出力誤差を低減することが可能である。Y = εS × {−2Δd / (d₀² −Δd² )}
A = −2 · Δd³ εS / d₀⁴
B = −2 · Δd⁵ εS / d₀⁶
:
N = −2 · Δd^{2n + 1} εS / d₀^{2n + 2}
On the other hand, when theautomatic correction circuit 220 detects acceleration by changing the electrostatic gap d of the torsion method, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficients are set to A, B. It is preferable to do this. Here, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrodes is S, the initial electrostatic gap is d₀ , and the gap change amount is Δd. As a result, the output of the acceleration sensor can be brought closer to the ideal output O1, and the output error can be further reduced.

Ｙ＝εＳ／Δｄ×ｌｎ{（ｄ_０^２−Δｄ^２）／ｄ_０^２}
Ａ＝−Δｄ^３εＳ／２ｄ_０^４
Ｂ＝−Δｄ^５εＳ／３ｄ_０^６
：
Ｎ＝−Δｄ^２ｎ＋１εＳ／{（ｎ×１）×ｄ_０^２ｎ＋２}
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、Ｘ検出部１０とＹ検出部２０とＺ検出部３０とが１チップ内に配置された加速度センサを例示しているが、本発明は、Ｘ検出部１０・Ｙ検出部２０・Ｚ検出部３０のみが１チップ内に配置された加速度センサに適用することもできる。もちろん、センサチップ１００の細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜変更することが可能である。Y = εS / Δd × ln {(d₀² −Δd² ) / d₀² }
A = −Δd³ εS / 2d₀⁴
B = −Δd⁵ εS / 3d₀⁶
:
N = −Δd^{2n + 1} εS / {(n × 1) × d₀^{2n + 2} }
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, an acceleration sensor in which theX detection unit 10, theY detection unit 20, and theZ detection unit 30 are arranged in one chip is illustrated, but the present invention is anX detection unit 10 / Y detection. Only theunit 20 and theZ detection unit 30 can be applied to an acceleration sensor arranged in one chip. Of course, the detailed specifications (shape, size, layout, etc.) of thesensor chip 100 can be changed as appropriate.

１０ Ｘ検出部（検出部）
１１ 第１の可動電極（可動電極）
２０ Ｙ検出部（検出部）
２１ 第２の可動電極（可動電極）
３０ Ｚ検出部（検出部）
３１ 第３の可動電極（可動電極）
２２０ 自動補正回路
ε 誘電率
Ｓ 電極の対向面積
ｄ_０ 初期静電ギャップ
Δｄ ギャップ変化量
ａ、Ｙ 加速度
Ａ、Ｂ・・・Ｎ 補正係数10 X detector (detector)
11 First movable electrode (movable electrode)
20 Y detector (detector)
21 Second movable electrode (movable electrode)
30 Z detector (detector)
31 Third movable electrode (movable electrode)
220 Automatic correction circuit ε Dielectric constant S Electrode facing area d₀ Initial electrostatic gap Δd Gap variation a, Y Acceleration A, B... N Correction coefficient

Claims (3)

Translated fromJapanese

差動容量型の加速度センサであって、
外部から与えられた加速度に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極を用いて所定方向の加速度を検出して出力する検出部と、
前記検出部から出力される加速度をａ、補正係数をＡ、Ｂ、・・・とすると、３次以上の奇数次の項からなる多項式（Ａａ＾３＋Ｂａ＾５＋・・・）によって表される補正値を加速度ａから引き算する自動補正回路と
を備えることを特徴とする加速度センサ。A differential capacitance type acceleration sensor,
A movable electrode that can move according to acceleration given from the outside;
A detection unit that detects and outputs acceleration in a predetermined direction using the movable electrode;
If the acceleration output from the detection unit is a and the correction coefficients are A, B,..., The correction is expressed by a polynomial (Aa ^ 3 + Ba ^ 5 +. An acceleration sensor comprising: an automatic correction circuit that subtracts a value from the acceleration a. 前記自動補正回路は、平行平板型の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとすると、前記加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとすることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
Ｙ＝εＳ×{−２Δｄ／（ｄ_０^２−Δｄ^２）}
Ａ＝−２・Δｄ^３εＳ／ｄ_０^４
Ｂ＝−２・Δｄ^５εＳ／ｄ_０^６
：
Ｎ＝−２・Δｄ^２ｎ＋１εＳ／ｄ_０^２ｎ＋２The automatic correction circuit detects the acceleration by changing the parallel plate type electrostatic gap d, the dielectric constant is ε, the opposing area of the electrode is S, the initial electrostatic gap is d₀ , and the gap change amount is Δd. Then, the acceleration a is set to Y shown below, and the correction coefficient is set to A, B... N shown below.
Y = εS × {−2Δd / (d₀² −Δd² )}
A = −2 · Δd³ εS / d₀⁴
B = −2 · Δd⁵ εS / d₀⁶
:
N = −2 · Δd^{2n + 1} εS / d₀^{2n + 2} 前記自動補正回路は、トーション方式の静電ギャップｄが変化することで加速度を検出する場合、誘電率をε、電極の対向面積をＳ、初期静電ギャップをｄ_０、ギャップ変化量をΔｄとすると、前記加速度ａを以下に示すＹとし、前記補正係数を以下に示すＡ、Ｂ・・・Ｎとすることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
Ｙ＝εＳ／Δｄ×ｌｎ{（ｄ_０^２−Δｄ^２）／ｄ_０^２}
Ａ＝−Δｄ^３εＳ／２ｄ_０^４
Ｂ＝−Δｄ^５εＳ／３ｄ_０^６
：
Ｎ＝−Δｄ^２ｎ＋１εＳ／{（ｎ×１）×ｄ_０^２ｎ＋２}When the acceleration is detected by changing the torsion type electrostatic gap d, the automatic correction circuit sets the dielectric constant to ε, the electrode facing area to S, the initial electrostatic gap to d₀ , and the gap change amount to Δd. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration a is Y shown below, and the correction coefficients are A, B... N shown below.
Y = εS / Δd × ln {(d₀² −Δd² ) / d₀² }
A = −Δd³ εS / 2d₀⁴
B = −Δd⁵ εS / 3d₀⁶
:
N = −Δd^{2n + 1} εS / {(n × 1) × d₀^{2n + 2} }

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