DE102011082708A1

DE102011082708A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102011082708A1
Application number: DE102011082708A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yamaguchi; Mika Okumura; Takeshi Murakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-06-28
Also published as: TW201234012A; CN102539829A; JP2012137368A; US20120160029A1; KR20120074209A

Abstract

Ein Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Massenkörper (21), der durch erste Balken (31) gehalten wird und durch eine Beschleunigung verlagert werden kann, feste Elektroden (51,52), die so angeordnet sind, dass sie die Verlagerung des ersten Massenkörpers (21) in eine elektrische Größe umsetzen, und ein Verlagerungsfähigkeitsänderungselement (22,32,8oder9) zumÄndern der Verlagerungsfähigkeit des ersten Massenkörpers (21), wenn die Verlagerung des ersten Massenkörpers (21) einen vorbestimmten Bereichüberschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor, der eine physikalische Größe wie z. B. eine Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen durch Abstützen eines Massenkörpers auf einem Substrat in einer verlagerbaren Weise und Detektieren der Verlagerung des Massenkörpers detektieren kann, wobei die vorliegende Erfindung beispielsweise auf einen Kapazitätssensor vom Kammzinkentyp oder dergleichen angewendet werden kann.
Beschleunigungssensoren unter Verwendung von MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) sind verwendet worden.
In einem Beschleunigungssensor sind ein Massenkörper und eine feste Elektrode aus einem Halbleitersubstrat ausgebildet und diese Elemente werden durch Glassubstrate oder dergleichen gehalten. Der Massenkörper ist mit einem Balken verbunden, dessen Endabschnitt durch einen Anker fixiert ist. Der Massenkörper kann verlagert werden. Der Beschleunigungssensor kann durch Detektieren der Änderung einer Kapazität, die zwischen dem Massenkörper und der festen Elektrode erzeugt wird, eine Beschleunigung erfassen.
Ein Stand der Technik, der für Beschleunigungssensoren relevant ist, ist in mehreren Dokumenten gezeigt (beispielsweise JP 2008-190892-A (Patentdokument 1) und JP 2009-014598-A (Patentdokument 2)).
Ein Beschleunigungssensor des Standes der Technik benötigt mehrere Beschleunigungssensorelemente, um verschiedene Beschleunigungsdetektionsbereiche abzudecken. Falls mehrere Beschleunigungssensorelemente erforderlich sind, wird es jedoch notwendig, das Beschleunigungssensorelement für jeden zu detektierenden Beschleunigungsbereich zu entwerfen und herzustellen, und dies verursacht nachteilig eine geringe Herstellungseffizienz und ein kompliziertes Management.
Ferner kann ein eine hohe Beschleunigung detektierendes Beschleunigungssensorelement eine niedrige Beschleunigung detektieren und ein eine niedrige Beschleunigung detektierendes Beschleunigungssensorelement kann eine hohe Beschleunigung detektieren. Im ersteren Fall ist es jedoch, um die niedrige Beschleunigung zu detektieren, erforderlich, eine Ausgangsspannung unter Verwendung einer Steuerschaltung zu erhöhen, und das Rauschen wird mit der Ausgangsspannung auch erhöht und der Rauschabstand wird verschlechtert. Im letzteren Fall nimmt andererseits, wenn die hohe Beschleunigung in das die niedrige Beschleunigung detektierende Element eingegeben wird, die Menge an Verlagerung des Massenkörpers zu und der Balken und/oder der Massenkörper können dadurch zerbrochen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, der einen breiten Bereich einer Beschleunigung unter Verwendung eines Beschleunigungssensorelements detektieren kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist für einen Beschleunigungssensor bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Beschleunigungssensor einen ersten Massenkörper, eine feste Elektrode und ein Verlagerungsfähigkeitsänderungselement. Im Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung wird der erste Massenkörper durch einen ersten Balken gehalten und kann durch eine Beschleunigung verlagert werden. Die feste Elektrode ist so angeordnet, dass sie die Verlagerung des ersten Massenkörpers in eine elektrische Größe umsetzt. Das Verlagerungsfähigkeitsänderungselement ändert die Verlagerungsfähigkeit des ersten Massenkörpers, wenn die Verlagerung des ersten Massenkörpers einen vorbestimmten Bereich überschreitet.
Daher kann der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung einen breiten Bereich einer Beschleunigung (sowohl einen Bereich mit niedriger Beschleunigung als auch einen Bereich mit hoher Beschleunigung) unter Verwendung von einem Beschleunigungssensorelement detektieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors einer zugrundliegenden Technologie zeigt;
2 einen Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A von 1;
3 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
4 einen Querschnitt entlang der Querschnittslinie B-B von 3;
5 eine vergrößere Draufsicht, die eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
6 eine vergrößerte Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
7 und 8 Graphen, die jeweils eine Beschleunigungs- und Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung zeigen;
9 eine vergrößere Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
10 eine vergrößerte Draufsicht, die eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
11 eine vergrößerte Draufsicht, die noch eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
12 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
13 eine Draufsicht, die eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
14 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform zeigt;
15 eine vergrößerte Draufsicht, die zur Erläuterung einer Operation des Beschleunigungssensors gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform verwendet wird;
16 eine vergrößerte Draufsicht, die eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform zeigt;
17 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
18 und 19 vergrößerte Draufsichten, die zur Erläuterung einer Operation des Beschleunigungssensors gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden; und
20 eine Draufsicht, die eine weitere beispielhafte Konfiguration des Beschleunigungssensors gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Zuerst wird eine technische Voraussetzung der vorliegenden Erfindung (als zugrundeliegende Technologie bezeichnet) mit Bezug auf die Figuren erörtert.
1 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors der zugrundeliegenden Technologie zeigt. 2 ist ein Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A von 1. In 1 sind für eine einfache Darstellung Trägersubstrate 62 und 63 nicht gezeigt.
Um ein Beschleunigungssensorelement 15 auszubilden, wird eine Hauptplatine (Mutterplatine) 61, die aus einem plattenartigen Siliziumsubstrat besteht, durch Ätzen oder dergleichen unter Verwendung der MEMS-Technologie (Technologie mikroelektromechanischer Systeme) zu einer solchen Form, wie in 1 gezeigt, bearbeitet. Die Hauptplatine 61 wird zwischen den Trägersubstraten 62 und 63 gehalten, die aus plattenartigen Glassubstraten bestehen (mit anderen Worten, der Beschleunigungssensor weist eine mehrlagige Struktur auf, in der das Trägersubstrat 63, die Hauptplatine 61 und das Trägersubstrat 62 in dieser Reihenfolge aufgeschichtet sind).
Hierbei wird die Hauptplatine 61 beispielsweise durch anodisches Bonden an die Trägersubstrate 62 und 63 gebondet. Als Hauptplatine 61 kann ein anderer Halbleiter als Silizium verwendet werden. Als Trägersubstrate 62 und 63 kann ferner ein anderes Material als Glas verwendet werden.
Die Hauptplatine 61 ist aus Ankern 34, einem Massenkörper 21, festen Elektroden 51 und 52 und Balken 31 gebildet.
Der Massenkörper 21 ist so durch mehrere Balken 31 abgestützt, die elastisch verformt werden können, dass er durch eine Beschleunigung verlagert (bewegt) wird. Jeder der Balken 31 verbindet den Massenkörper 21 mit dem entsprechenden der Anker 34, der als festes Ende dient. Jeder der Anker 34 ist an den Trägersubstraten 62 und 63 befestigt und abgestützt. Der Massenkörper 21 ist mit Kammzinkenelektroden 211 und 212 auf zwei entgegengesetzten Seiten desselben versehen. Entsprechend den Elektroden 211 und 212 sind Kammzinkenelektroden 511 und 521 von den festen Elektroden 51 und 52 vorgesehen. Die festen Elektroden 51 und 52 sind an beiden oder einem der Trägersubstrate 62 und 63 befestigt und abgestützt.
Wenn eine Beschleunigung in das Beschleunigungssensorelement 15 eingegeben wird, wird der Massenkörper 21 in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 1 verlagert und die Kapazität zwischen den Elektroden 211 und 511 und die Kapazität zwischen den Elektroden 212 und 521 werden geändert. Durch Detektieren der Änderungen der Kapazitäten kann der Beschleunigungssensor die eingegebene Beschleunigung erfassen. Die Ausgangsempfindlichkeit in Bezug auf die Beschleunigung hängt von der Masse des Massenkörpers 21 und der Steifigkeit (Balkenbreite, Balkenlänge, Balkendicke und der Anzahl von Balken) des Balkens 31 ab.
Im Beschleunigungssensor der zugrundeliegenden Technologie werden verschiedene Beschleunigungssensorelemente 15 für verschiedene Beschleunigungsdetektionsbereiche verwendet.
In einem Fall einer Detektion einer niedrigen Beschleunigung von etwa 2 g (”g” stellt die Erdbeschleunigung dar: m/s²) ist es beispielsweise erforderlich, die Detektionsempfindlichkeit zu erhöhen, und um die Detektionsempfindlichkeit zu erhöhen, muss das Gewicht des Massenkörpers 21, der ein beweglicher Teil des Beschleunigungssensorelements 15 ist, erhöht werden oder die Steifigkeit des Balkens 31, der den Massenkörper 21 abstützt, muss verringert werden (die Balkenlänge muss vergrößert werden, die Balkenbreite muss verkleinert werden oder dergleichen). Andererseits muss in einem Fall einer Detektion einer hohen Beschleunigung das Gewicht des Massenkörpers 21, der ein beweglicher Teil des Beschleunigungssensorelements 15 ist, verringert werden oder die Steifigkeit des Balkens 31, der den Massenkörper 21 abstützt, muss erhöht werden (die Balkenlänge muss verringert werden, die Balkenbreite muss vergrößert werden oder dergleichen).
Mit anderen Worten, um verschiedene Beschleunigungsdetektionsbereiche abzudecken, benötigt der Beschleunigungssensor der zugrundeliegenden Technologie mehrere Beschleunigungssensorelemente 15. Dann wird es erforderlich, das Beschleunigungssensorelement 15 für jeden zu detektierenden Beschleunigungsbereich zu entwerfen und herzustellen, und dies macht nachteilig den Herstellungsprozess kompliziert.
Nachstehend wird der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Figuren, die die jeweiligen bevorzugten Ausführungsformen zeigen, spezifisch beschrieben.
<Erste bevorzugte Ausführungsform>
3 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt. 4 ist ein Querschnitt entlang der Querschnittslinie B-B von 3. In 3 sind für eine einfache Darstellung die Trägersubstrate 62 und 63 nicht gezeigt.
Bei einem Beschleunigungssensorelement 11 des Beschleunigungssensors wird die Hauptplatine 61 (siehe 4), die aus einem plattenartigen Siliziumsubstrat besteht, durch Ätzen oder dergleichen unter Verwendung der MEMS-Technologie zu einer solchen Form, wie in 3 gezeigt, bearbeitet. Wie in 4 gezeigt, wird die Hauptplatine 61, die verarbeitet ist, folglich zwischen den Trägersubstraten 62 und 63 gehalten, die aus plattenartigen Glassubstraten bestehen. Mit anderen Worten, wie in
4 gezeigt, sind das Trägersubstrat 63, die Hauptplatine 61 und das Trägersubstrat 62 in dieser Reihenfolge aufgeschichtet.
Hierbei wird die Hauptplatine 61 beispielsweise durch anodisches Bonden an die Trägersubstrate 62 und 63 gebondet. Als Hauptplatine 61 kann ein anderer Halbleiter als Silizium verwendet werden. Als Trägersubstrate 62 und 63 kann ferner ein anderes Material als Glas verwendet werden.
Die Hauptplatine 61 ist aus den Ankern 34, einem ersten Massenkörper 21, den festen Elektroden 51 und 52, mehreren ersten Balken 31 und mehreren zweiten Balken 32 gebildet.
Der erste Massenkörper 21 ist so durch mehrere erste Balken 31 abgestützt, die elastisch verformt werden können, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert (bewegt) wird. In der Konfiguration von 3 sind vier erste Balken 31 und vier Anker 34 vorgesehen, die als feste Enden dienen. Jeder der ersten Balken 31 verbindet den ersten Massenkörper 21 mit dem entsprechenden der Anker 34.
Die Anker 34 sind an den Trägersubstraten 62 und 63 befestigt und abgestützt. Daher sind die ersten Balken 31 durch die Trägersubstrate 62 und 63 abgestützt, wobei die Anker 34 dazwischen eingefügt sind.
Wie in 3 gezeigt, ist der erste Massenkörper 21 mit den Kammzinkenelektroden 211 und 212 auf zwei entgegengesetzten Seiten davon versehen. Die feste Elektrode 51 ist mit den Kammzinkenelektroden 511 auf einer Seite davon versehen, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, und die feste Elektrode 52 ist mit den Kammzinkenelektroden 521 auf einer Seite davon versehen, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist.
Wie in 3 gezeigt, sind entsprechend den Kammzinkenelektroden 211 die Kammzinkenelektroden 511 vorgesehen und die Kammzinkenelektroden 211 und die Kammzinkenelektroden 511 sind abwechselnd in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 3 angeordnet. Sehr nahe jeder der Kammzinkenelektroden 211 ist die entsprechende der Kammzinkenelektroden 511 vorgesehen und jede der Kammzinkenelektroden 211 und die entsprechende der Kammzinkenelektroden 511, die sehr nahe der Kammzinkenelektrode 211 vorgesehen ist, sind mit einem ersten vorbestimmten Intervall dazwischen voneinander entfernt angeordnet.
Wie in 3 gezeigt, sind ferner entsprechend den Kammzinkenelektroden 212 die Kammzinkenelektroden 521 vorgesehen und die Kammzinkenelektroden 212 und die Kammzinkenelektroden 521 sind abwechselnd in der vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 3 angeordnet. Sehr nahe jeder der Kammzinkenelektroden 212 ist die entsprechende der Kammzinkenelektroden 521 vorgesehen und jede der Kammzinkenelektroden 212 und die entsprechende der Kammzinkenelektroden 521, die sehr nahe der Kammzinkenelektrode 212 vorgesehen ist, sind mit dem ersten vorbestimmten Intervall dazwischen voneinander entfernt angeordnet.
Die festen Elektroden 51 und 52 sind an beiden oder einem der Trägersubstrate 62 und 63 befestigt und abgestützt. Die festen Elektroden 51 und 52 sind so angeordnet, dass sie die Verlagerung des ersten Massenkörpers 21 in eine elektrische Größe umsetzen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform, wie in 3 und 4 gezeigt, sind ferner zwei zweite Massenkörper 22 in der Hauptplatine 61 vorgesehen. In 3 ist einer der zweiten Massenkörper 22 so angeordnet, dass er einer Oberseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt ist, und der andere zweite Massenkörper 22 ist so angeordnet, dass er einer Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt ist. In diesem Fall sind der erste Massenkörper 21 und jeder der zweiten Massenkörper 22 mit einem zweiten vorbestimmten Intervall dazwischen voneinander entfernt angeordnet.
Jeder der zweiten Massenkörper 22 ist so durch mehrere zweite Balken 32 abgestützt, die elastisch verformt werden können, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert (bewegt) wird. In der Konfiguration von 3 sind zwei zweite Balken 32 für jeden der zweiten Massenkörper 22 vorgesehen. Jeder der zweiten Balken 32 ist mit dem entsprechenden der Anker 34 verbunden, der als festes Ende dient. Jeder der zweiten Balken 32 verbindet den zweiten Massenkörper 22 mit dem entsprechenden der Anker 34.
Wie vorstehend erörtert, sind die Anker 34 an den Trägersubstraten 62 und 63 befestigt und abgestützt. Daher sind die zweiten Balken 32 durch die Trägersubstrate 62 und 63 abgestützt, wobei die Anker 34 dazwischen eingefügt sind.
Der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verlagerungsfähigkeitsänderungselement zum Ändern der Beweglichkeit (oder Verlagerungsfähigkeit) des ersten Massenkörpers 21, wenn die Verlagerung des ersten Massenkörpers 21 einen vorbestimmten Bereich überschreitet.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform dienen die zweiten Massenkörper 22, die durch die Beschleunigung verlagert werden können, während sie durch die zweiten Balken 32 gehalten werden, und vom ersten Massenkörper 21 mit dem zweiten vorbestimmten Intervall dazwischen entfernt angeordnet sind, als Verlagerungsfähigkeitsänderungselement.
Im Beschleunigungssensorelement 11 des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform wird, wenn eine Beschleunigung eingegeben wird, der erste Massenkörper 21 in der vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 3 verlagert und die Kapazität zwischen der Elektrode 211 und der Elektrode 511 und die Kapazität zwischen der Elektrode 212 und der Elektrode 521 werden geändert. Durch Detektieren der Änderungen der Kapazitäten kann der Beschleunigungssensor die eingegebene Beschleunigung erfassen. Die Ausgangsempfindlichkeit in Bezug auf die Beschleunigung hängt von der Masse des Massenkörpers und der Steifigkeit (Balkenbreite, Balkenlänge, Balkendicke und der Anzahl von Balken) des Balkens ab.
Das beachtenswerte charakteristische Merkmal des Beschleunigungssensors der ersten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die Abmessung der ersten Balken 31 (die Steifigkeit der Balken, d. h. die Balkenbreite, die Balkenlänge, die Balkendicke und die Anzahl von Balken) so bestimmt wird, dass der erste Massenkörper 21 im Bereich mit niedriger Beschleunigung verlagert werden kann.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform wird, wenn eine hohe Beschleunigung in das Beschleunigungssensorelement 11 eingegeben wird, der erste Massenkörper 21 weit bewegt, so dass er mit den zweiten Massenkörpern 22 in Kontakt gebracht wird. Beim Kontakt zwischen dem ersten Massenkörper 21 und den zweiten Massenkörpern 22 wirken sich die zweiten Balken 32 mit hoher Steifigkeit auf die Bewegung (Beweglichkeit) des ersten Massenkörpers 21 aus.
Insbesondere hängt im Bereich mit niedriger Beschleunigung die Ausgangsempfindlichkeit im Beschleunigungssensor der ersten bevorzugten Ausführungsform von der Masse des ersten Massenkörpers 21 und der Steifigkeit der ersten Balken 31 ab. Andererseits hängt die Ausgangsempfindlichkeit im Bereich mit hoher Beschleunigung von der Gesamtmasse des ersten Massenkörpers 21 und der zweiten Massenkörper 22 und der Steifigkeit der ersten Balken 31 und jener der zweiten Balken 32 ab.
Wie vorstehend erörtert, ist im Beschleunigungssensor der ersten bevorzugten Ausführungsform jeder der zweiten Massenkörper 22, der durch die zweiten Balken 32 gehalten wird, nahe dem ersten Massenkörper 21 angeordnet.
Daher kann ein breiter Bereich einer Beschleunigung (sowohl der Bereich mit niedriger Beschleunigung als auch der Bereich mit hoher Beschleunigung) unter Verwendung von einem Beschleunigungssensorelement 11 detektiert werden.
Wie in 5 gezeigt, können ferner im Gegensatz zur Konfiguration von 3 die Kammzinkenelektroden 221 und 222 am zweiten Massenkörper 22 vorgesehen sein. Obwohl in 5 der Bereich der unteren Hälfte des ersten Massenkörpers 21 und dessen Umgebung gezeigt ist, gilt dasselbe für den zweiten Massenkörper 22, der der Oberseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt ist. Wie in 5 gezeigt, sind die festen Elektroden 51 und 52 zusätzlich mit Kammzinkenelektroden 512 und 522 versehen.
Die festen Elektroden 51 und 52 sind so angeordnet, dass sie die Verlagerung der zweiten Massenkörper 22 in die elektrische Größe umsetzen.
Wie in 5 gezeigt, sind entsprechend den Kammzinkenelektroden 221, die Kammzinkenelektroden 512 vorgesehen und die Kammzinkenelektroden 221 und die Kammzinkenelektroden 512 sind abwechselnd in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 5 angeordnet. Sehr nahe jeder der Kammzinkenelektroden 221 ist die entsprechende der Kammzinkenelektroden 512 vorgesehen und jede der Kammzinkenelektroden 221 und die entsprechende der Kammzinkenelektroden 512, die sehr nahe der Kammzinkenelektrode 221 vorgesehen ist, sind mit einem sehr kleinen Intervall dazwischen voneinander entfernt angeordnet.
Wie in 5 gezeigt, sind ferner entsprechend den Kammzinkenelektroden 222 die Kammzinkenelektroden 522 vorgesehen und die Kammzinkenelektroden 222 und die Kammzinkenelektroden 522 sind abwechselnd in der vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 5 angeordnet. Sehr nahe jeder der Kammzinkenelektroden 222 ist die entsprechende der Kammzinkenelektroden 522 vorgesehen und jede der Kammzinkenelektroden 222 und der entsprechenden der Kammzinkenelektroden 522, die sehr nahe der Kammzinkenelektrode 222 vorgesehen ist, sind mit einem sehr kleinen Intervall dazwischen voneinander entfernt angeordnet.
Der Beschleunigungssensor mit der Konfiguration von 3 erfasst die Änderungen der Kapazitäten nur zwischen einem ersten Massenkörper 21 und den festen Elektroden 51 und 52. Andererseits kann der Beschleunigungssensor mit der Konfiguration von 5 die Änderungen der Kapazitäten zwischen mehreren Massenkörpern 21 und 22 und den festen Elektroden 51 und 52 erfassen.
<Zweite bevorzugte Ausführungsform>
In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Massenkörper 22 so vorgesehen, dass er jeder der Ober- und Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt ist. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform sind jedoch mehrere zweite Massenkörper 22 (223, 224, 225 und 226) so vorgesehen, dass sie jeder der Ober- und Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt sind.
6 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt. 6 zeigt nur die untere Hälfte des ersten Massenkörpers 21 und dessen Umgebung.
In der beispielhaften Konfiguration von 6 sind vier zweite Massenkörper 223, 224, 225 und 226 so vorgesehen, dass sie der Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt sind. Obwohl in 6 nicht gezeigt, sind von den zweiten Massenkörpern so viele wie die zweiten Massenkörper 22, die der Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt sind (im Fall von 6 vier zweite Massenkörper), so in derselben Anordnung vorgesehen, dass sie der Oberseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt sind. Aus diesem Grund wird die folgende Beschreibung anhand einer Konfiguration der unteren Hälfte des ersten Massenkörpers 21 und dessen Umgebung durchgeführt und dasselbe gilt für eine Konfiguration der oberen Hälfte des ersten Massenkörpers 21 und dessen Umgebung.
Die benachbarten zweiten Massenkörper 223 bis 226 sind so ausgerichtet, dass sie mit einem Intervall dazwischen in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 6 voneinander entfernt sind. Mit jedem der zweiten Massenkörper 223 bis 226 sind zwei zweite Balken 32 (321, 322, 323 und 324) verbunden
Insbesondere sind mit dem zweiten Massenkörper 223 zwei (ein Paar von) zweite Balken 321 verbunden. Ebenso sind zwei (ein Paar von) zweite Balken 322 mit dem zweiten Massenkörper 224 verbunden, zwei (ein Paar von) zweite Balken 323 sind mit dem zweiten Massenkörper 225 verbunden und zwei (ein Paar von) zweite Balken 324 sind mit dem zweiten Massenkörper 226 verbunden.
Ein Ende von jedem der zweiten Balken 321, 322, 323 und 324 ist mit dem entsprechenden der zweiten Massenkörper 223 bis 226 verbunden und das andere Ende von jedem der zweiten Balken 321, 322, 323 und 324 ist mit dem Anker 34, der als festes Ende dient, verbunden. Einer von jedem Paar von zweiten Balken 321 bis 324 ist mit einem der Anker 34 verbunden und der andere von jedem Paar von zweiten Balken 321 bis 324 ist mit dem anderen der Anker 34 verbunden. Ferner ist mit dem einen Anker 34 auch einer der ersten Balken 31 verbunden und mit dem anderen Anker 34 ist auch der andere der ersten Balken 31 verbunden.
Die andere Konfiguration des Beschleunigungssensors der zweiten bevorzugten Ausführungsform als die obige ist dieselbe wie jene des Beschleunigungssensors der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Es ist erwünscht, dass sich die Ausgangsempfindlichkeit des Beschleunigungssensors in Bezug auf die Beschleunigung linear ändert, wie durch die gestrichelte Linie im Graphen von 7 angegeben. Im Beschleunigungssensor der ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Massenkörper 22 so vorgesehen, dass er jeder der Ober- und Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt ist. In der beispielhaften Konfiguration der ersten bevorzugten Ausführungsform wird, da die Steifigkeit des Balkens zu dem Zeitpunkt, zu dem der erste Massenkörper 21 mit dem zweiten Massenkörper 22 in Kontakt kommt, geändert wird, eine solche Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik, wie durch die durchgezogene Linie im Graphen von 7 angegeben, als jene des Beschleunigungssensors in Bezug auf die Beschleunigung erhalten. 7 ist ein Graph, der die Beschleunigungs- und Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik des Beschleunigungssensors zeigt, und im Graphen stellt die vertikale Achse die Ausgangsempfindlichkeit dar und die horizontale Achse stellt die Beschleunigung dar.
Andererseits sind im Beschleunigungssensor der zweiten bevorzugten Ausführungsform zwei oder mehr zweite Massenkörper 223 bis 226 so vorgesehen, dass sie jeder der Ober- und Unterseite des ersten Massenkörpers 21 zugewandt sind. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, eine feine Steuerung der Steifigkeit des Balkens durchzuführen. Daher wird eine solche Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik, wie durch die durchgezogene Linie im Graphen von 8 angegeben, als jene des Beschleunigungssensors in Bezug auf die Beschleunigung erhalten. Mit anderen Worten, wie im Graphen von 8 gezeigt, wird die Linie, die die Charakteristik angibt, näherungsweise die ideale Linie (gestrichelte Linie). 8 ist auch ein Graph, der die Beschleunigungs- und Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik des Beschleunigungssensors zeigt, und im Graphen stellt die vertikale Achse die Ausgangsempfindlichkeit dar und die horizontale Achse stellt die Beschleunigung dar.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist folglich die Anzahl von zweiten Massenkörpern 22 (223 bis 226) erhöht. Daher ist es möglich, eine ideale Ausgangscharakteristik zu erhalten und dadurch einen Beschleunigungssensor mit hoher Präzision zu schaffen.
In der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform können die zweiten Massenkörper 22 (223 bis 226) dieselbe Masse oder verschiedene Massen aufweisen. Ferner können die zweiten Balken 32 (321 bis 324) dieselbe Steifigkeit oder verschiedene Steifigkeiten aufweisen. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, dass die Masse von jedem der zweiten Massenkörper 22 (223 bis 226) und die Steifigkeit von jedem der zweiten Balken 32 (321 bis 324) so festgelegt werden, dass die Ausgangscharakteristik näher an die ideale gelangen kann.
Der Beschleunigungssensor mit der Konfiguration von 6 kann die Änderungen der Kapazitäten zwischen dem ersten Massenkörper 21 und den festen Elektroden 51 und 52 erfassen.
<Dritte bevorzugte Ausführungsform>
In der ersten bevorzugten Ausführungsform sind eine Oberfläche des zweiten Massenkörpers 22, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, und eine Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, jeweils flach. In der dritten bevorzugten Ausführungsform sind jedoch Vorsprünge an der Oberfläche des zweiten Massenkörpers 22, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, und/oder der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, vorgesehen.
9 ist eine vergrößerte Draufsicht, die eine Konfiguration eines charakteristischen Teils (d. h. eines Abschnitts, wo der erste Massenkörper 21 dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist) und die Umgebung eines Beschleunigungssensors gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt.
In der beispielhaften Konfiguration von 9 sind mehrere Vorsprünge 7 mit jeweils einem dreieckigen Querschnitt an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21 ausgebildet, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist. Ferner können mehrere Vorsprünge 7, die an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, ausgebildet sind, einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wie in 10 gezeigt. Alternativ können mehrere Vorsprünge 7, die an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, ausgebildet sind, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie in 11 gezeigt.
Obwohl die Vorsprünge 7 in den beispielhaften Fällen von 9, 10 und 11 an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, ausgebildet sind, können die Vorsprünge 7 ferner an der Oberfläche des zweiten Massenkörpers 22, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, ausgebildet sein. Alternativ können die Vorsprünge 7 sowohl an der Oberfläche des zweiten Massenkörpers 22, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, als auch an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, ausgebildet sein.
Wenn eine hohe Beschleunigung in den Beschleunigungssensor eingegeben wird, besteht eine Befürchtung, dass der Kontakt zwischen dem ersten Massenkörper 21 und dem zweiten Massenkörper 22 ein ”Haften” genanntes Phänomen verursachen kann. In der dritten bevorzugten Ausführungsform sind dann die Vorsprünge 7 an der Oberfläche des zweiten Massenkörpers 22, die dem ersten Massenkörper 21 zugewandt ist, und/oder an der Oberfläche des ersten Massenkörpers 21, die dem zweiten Massenkörper 22 zugewandt ist, ausgebildet. Daher ist es möglich, die Fläche, an der der erste Massenkörper 21 und der zweite Massenkörper 22 miteinander in Kontakt kommen, zu verkleinern und dadurch das ”Haften” genannte Phänomen zu vermeiden.
<Vierte bevorzugte Ausführungsform>
12 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Eine Konfiguration eines Beschleunigungssensorelements 12 der vierten bevorzugten Ausführungsform ist von der Konfiguration des Beschleunigungssensorelements 11 der ersten bevorzugten Ausführungsform verschieden. In der vierten bevorzugten Ausführungsform sind auch, obwohl die Hauptplatine zwischen den Trägersubstraten in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung gehalten wird, die Trägersubstrate in 12 für eine einfache Darstellung nicht gezeigt.
Bestandteile des Beschleunigungssensorelements 12 der vierten bevorzugten Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, die zu jenen des vorher erörterten Beschleunigungssensorelements 11 ähnlich sind oder diesen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen dargestellt und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
Wie im Beschleunigungssensorelement 11, das in 3 gezeigt ist, sind im Beschleunigungssensorelement 12, das in 12 gezeigt ist, der erste Massenkörper 21 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 211 und 212) und die festen Elektroden 51 und 52 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 511 und 521) in derselben Weise ausgebildet und angeordnet.
Im Beschleunigungssensorelement 12 der vierten bevorzugten Ausführungsform sind in einer Draufsicht der erste Massenkörper 21 und die festen Elektroden 51 und 52 von einem zweiten Massenkörper 23 mit einer rechteckigen rahmenartigen Form umgeben. In diesem Fall sind der erste Massenkörper 21 und der zweite Massenkörper 23 durch vier erste Balken 31 miteinander verbunden. Insbesondere verbindet jeder der ersten Balken 31 den ersten Massenkörper 21 mit einem inneren Umfangsabschnitt des zweiten Massenkörpers 23. Der erste Massenkörper 21 und der zweite Massenkörper 23 können bewegt werden (mit anderen Worten, können durch die eingegebene Beschleunigung verlagert werden), wobei die ersten Balken 31 dazwischen eingefügt sind.
Wie in 12 gezeigt, sind ferner Kammzinkenelektroden 232 und 231 an einem äußeren Umfangsabschnitt des zweiten Massenkörpers 23 auf der linken bzw. rechten Seite in 12 vorgesehen. Außerhalb des zweiten Massenkörpers 23 sind zwei feste Elektroden 53 und 54 vorgesehen. An der festen Elektrode 53 sind Kammzinkenelektroden 531 entsprechend den Kammzinkenelektroden 231 vorgesehen. An der festen Elektrode 54 sind Kammzinkenelektroden 541 entsprechend den Kammzinkenelektroden 232 vorgesehen.
In diesem Fall sind die Kammzinkenelektroden 231 und 531 abwechselnd angeordnet, wobei sie mit einem gewünschten Intervall dazwischen in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 12 voneinander entfernt sind, und die Kammzinkenelektroden 232 und 541 sind abwechselnd angeordnet, wobei sie mit einem gewünschten Intervall dazwischen in der vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung von 12 voneinander entfernt sind.
Die festen Elektroden 51 und 52 sind so angeordnet, dass sie die Verlagerung des ersten Massenkörpers 21 in die elektrische Größe umsetzen, und die festen Elektroden 53 und 54 sind so angeordnet, dass sie die Verlagerung des zweiten Massenkörpers 23 in die elektrische Größe umsetzen.
Im Beschleunigungssensorelement 12 der vierten bevorzugten Ausführungsform sind ferner der äußere Umfangsabschnitt des zweiten Massenkörpers 23 und die Anker 34, die als feste Enden dienen, durch die zweiten Balken 32 miteinander verbunden. Der zweite Massenkörper 23 ist so mit den Ankern 34 abgestützt, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert wird. Wie in 3 sind vier Anker 34 vorgesehen, und für jeden der Anker 34 ist ein zweiter Balken 32 zum Abstützen des zweiten Massenkörpers 23 vorgesehen.
Wie aus der vorstehend beschriebenen Konfiguration zu sehen ist, ist der erste Massenkörper 21 so durch die Anker 34 abgestützt, wobei die ersten Balken 31, der zweite Massenkörper 23 und die zweiten Balken 32 dazwischen eingefügt sind, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert wird.
Die Operation und Funktion des Beschleunigungssensorelements 12 der vierten bevorzugten Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, zu dem Zeitpunkt, zu dem die Beschleunigung in dieses eingegeben wird, sind dieselben wie jene des vorher erörterten Beschleunigungssensorelements 11.
Insbesondere wenn eine hohe Beschleunigung in das Beschleunigungssensorelement 12 eingegeben wird, werden die Ober- und die Unterseite des ersten Massenkörpers 21 mit dem inneren Umfangsabschnitt des zweiten Massenkörpers 23 in Kontakt gebracht. Daher beeinflussen die Masse des zweiten Massenkörpers 23 und die Steifigkeit der zweiten Balken 32 mit hoher Steifigkeit die Bewegung (Beweglichkeit) des ersten Massenkörpers 21. Mit anderen Worten, die Ausgangsempfindlichkeit des Beschleunigungssensorelements 12 hängt im Bereich mit hoher Beschleunigung von der Gesamtmasse des ersten Massenkörpers 21 und der zweiten Massenkörper 23 und der Steifigkeit der ersten Balken 31 und jener der zweiten Balken 32 ab. Andererseits hängt im Bereich mit niedriger Beschleunigung die Ausgangsempfindlichkeit des Beschleunigungssensorelements 12 von der Masse des ersten Massenkörpers 21 und der Steifigkeit der ersten Balken 31 ab.
Folglich ist im Beschleunigungssensor der vierten bevorzugten Ausführungsform der zweite Massenkörper 23, der durch die zweiten Balken 32 gehalten wird, so vorgesehen, dass er den ersten Massenkörper 21 umgibt.
Daher kann ein breiter Bereich einer Beschleunigung (sowohl der Bereich mit niedriger Beschleunigung als auch der Bereich mit hoher Beschleunigung) unter Verwendung von einem Beschleunigungssensorelement 12 detektiert werden. Ferner kann die Größe des zweiten Massenkörpers 23, der im Bereich mit hoher Beschleunigung verwendet wird, größer gemacht werden als jene des zweiten Massenkörpers 22. Daher kann der Beschleunigungssensor der vierten bevorzugten Ausführungsform eine hohe Beschleunigung mit höherer Präzision detektieren als der Beschleunigungssensor der ersten bevorzugten Ausführungsform.
In der Konfiguration von 12 verbinden die ersten Balken 31 den ersten Massenkörper 21 und den zweiten Massenkörper 23. Alternativ kann ein in 13 gezeigtes Beschleunigungssensorelement 12A übernommen werden.
Im Beschleunigungssensorelement 12A von 13 sind vier Anker 35, die als feste Enden dienen, zusätzlich vorgesehen. Jeder der Anker 35 ist an den Trägersubstraten, die die Hauptplatine halten, befestigt und abgestützt. In der Konfiguration von 13 verbindet jeder der ersten Balken 31 den ersten Massenkörper 21 und den entsprechenden der Anker 35. Mit andere Worten, in der Konfiguration von 13 ist der erste Massenkörper 21 mit den ersten Balken 31 und den Ankern 35 so befestigt und abgestützt, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert wird. Abgesehen von der Verbindungsweise der ersten Balken 31 besteht kein Unterschied zwischen der Konfiguration von 12 und der Konfiguration von 13.
Der in 13 gezeigte Beschleunigungssensor kann auch dieselbe Wirkung wie jene des in 12 gezeigten Beschleunigungssensors erzeugen.
Die Beschleunigungssensoren mit den jeweiligen Konfigurationen von 12 und 13 können die Änderungen der Kapazitäten zwischen dem ersten Massenkörper 21 und den festen Elektroden 51 und 52 und die Änderungen der Kapazitäten zwischen dem zweiten Massenkörper 23 und den festen Elektroden 53 und 54 erfassen.
In den Konfigurationen von 12 und 13 kann ferner ein Fall bestehen, in dem die Änderungen der Kapazitäten nur zwischen einem ersten Massenkörper 21 und den festen Elektroden 51 und 52 erfasst werden können, indem die festen Elektroden 53 und 54 und die Kammzinkenelektroden 231 und 232 weggelassen sind.
<Fünfte bevorzugte Ausführungsform>
14 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Eine Konfiguration eines Beschleunigungssensorelements 13 der fünften bevorzugten Ausführungsform ist von der Konfiguration des Beschleunigungssensorelements 11 der ersten bevorzugten Ausführungsform verschieden. In der fünften bevorzugten Ausführungsform sind auch, obwohl die Hauptplatine zwischen den Trägersubstraten in der Aufwärts- und der Abwärtsrichtung gehalten wird, die Trägersubstrate in 14 für eine einfache Darstellung nicht gezeigt.
Bestandteile des Beschleunigungssensorelements 13 der fünften bevorzugten Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, die zu jenen des vorher erörterten Beschleunigungssensorelements 11 ähnlich sind oder diesen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen dargestellt und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
Wie in dem in 3 gezeigten Beschleunigungssensorelement 11 sind im in 14 gezeigten Beschleunigungssensorelement 13 der erste Massenkörper 21 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 211 und 212) und die festen Elektroden 51 und 52 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 511 und 521) in derselben Weise ausgebildet und angeordnet.
Im Beschleunigungssensorelement 13 der fünften bevorzugten Ausführungsform ist auch der erste Massenkörper 21 jeweils mit den Ankern 34 durch die ersten Balken 31 verbunden und der erste Massenkörper 21 ist so durch die Anker 34 abgestützt, wobei die ersten Balken 31 dazwischen eingefügt sind, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert wird.
Im Beschleunigungssensorelement 13 der fünften bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Massenkörper 22 und die zweiten Balken 32 im Gegensatz zum vorher erörterten Beschleunigungssensorelement 11 weggelassen. Im Beschleunigungssensorelement 13 der fünften bevorzugten Ausführungsform sind stattdessen Stützen 8 vorgesehen. Wie in 14 gezeigt, sind die Stützen 8 entsprechend den ersten Balken 31 vorgesehen und jede der Stützen 8 ist nahe dem entsprechenden der ersten Balken 31 angeordnet.
In der fünften bevorzugten Ausführungsform dienen die Stützen 8, die nahe den ersten Balken 31 angeordnet sind, als Verlagerungsfähigkeitsänderungselement, das in der ersten bevorzugten Ausführungsform erörtert wurde.
In der Konfiguration von 14 ist die Stütze 8, die nahe dem ersten Balken 31 vorgesehen ist, auf einer Seite des ersten Balkens 31 etwa im Mittelpunkt davon angeordnet. Im Gegensatz zur Konfiguration von 14 kann jedoch die nahe dem ersten Balken 31 vorgesehene Stütze 8 auf beiden Seiten des ersten Balkens 31 etwa im Mittelpunkt davon angeordnet sein.
In diesem Fall sind die Stützen 8 an beiden oder an einem der Trägersubstrate befestigt, die in 14 nicht gezeigt sind.
15 ist eine vergrößerte Draufsicht, die den ersten Balken 31 und die Umgebung davon zeigt. Mit Bezug auf 15 wird eine Erörterung einer Operation des Beschleunigungssensors der fünften bevorzugten Ausführungsform durchgeführt.
Wenn eine Beschleunigung in den Beschleunigungssensor der fünften bevorzugten Ausführungsform eingegeben wird, wird der erste Massenkörper 21 in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 15 verlagert. In diesem Fall wird, wenn eine bestimmte oder höhere Beschleunigung eingegeben wird, der erste Massenkörper 21 weit verlagert und der erste Balken 31 wird mit der Stütze 8, die nahe dem ersten Balken 31 angeordnet ist (siehe 15), in Kontakt gebracht. Nach dem Kontakt wird die Länge des ersten Balkens 31, die sich auf die Verlagerung (Verlagerungsfähigkeit) des ersten Massenkörpers 21 auswirkt, scheinbar kürzer und die Steifigkeit davon wird höher als jene vor dem Kontakt.
Im Beschleunigungssensor der fünften bevorzugten Ausführungsform kommt der erste Balken 31 im Bereich mit niedriger Beschleunigung nicht mit der Stütze 8 in Kontakt und im Bereich mit hoher Beschleunigung kommt der erste Balken 31 mit der Stütze 8 in Kontakt und die Steifigkeit des ersten Balkens 31 wird höher. Folglich kann der Beschleunigungssensor der fünften bevorzugten Ausführungsform einen breiten Bereich einer Beschleunigung erfassen.
In der Konfiguration von 15 ist nur eine Stütze 8 für einen ersten Balken 31 auf einer Seite davon vorgesehen. Andererseits können, wie in 16 gezeigt, mehrere (in 16 drei) Stützen 8 für einen ersten Balken 31 auf einer Seite davon entlang einer Richtung vorgesehen sein, in der sich der erste Balken 31 erstreckt.
Obwohl in 16 mehrere Stützen 8 auf einer Seite des ersten Balkens 31 angeordnet sind, können mehrere Stützen 8 auf beiden Seiten des ersten Balkens 31 entlang der Richtung, in der sich der erste Balken 31 erstreckt, angeordnet sein.
Obwohl die Form der Stütze 8 in einer Draufsicht in 15 ein Dreieck ist, ist die Form der Stütze 8 in einer Draufsicht nicht darauf begrenzt, sondern kann ein Kreis sein, wie in 16 gezeigt.
Wie in 16 gezeigt, ist es durch Erhöhen der Anzahl von Stützen 8, die nahe jedem der ersten Balken 31 angeordnet sind, möglich, eine feinere Steuerung der Steifigkeit des Balkens durchzuführen. Daher kann im Beschleunigungssensor mit der in 16 gezeigten Konfiguration die Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik mehr an eine solche ideale angenähert werden, wie durch die Linie (gestrichelte Linie) von 8 angegeben.
<Sechste bevorzugte Ausführungsform>
17 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Beschleunigungssensors gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Eine Konfiguration eines Beschleunigungssensorelements 14 der sechsten bevorzugten Ausführungsform ist von der Konfiguration des Beschleunigungssensorelements 11 der ersten bevorzugten Ausführungsform verschieden. In der sechsten bevorzugten Ausführungsform sind auch, obwohl die Hauptplatine zwischen den Trägersubstraten in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung gehalten wird, die Trägersubstrate für eine einfache Darstellung in 17 nicht gezeigt.
Bestandteile des Beschleunigungssensorelements 14 der sechsten bevorzugten Ausführungsform, die in 17 gezeigt ist, die zu jenen des vorher erörterten Beschleunigungssensorelements 11 ähnlich sind oder diesen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen dargestellt und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
Wie im in 3 gezeigten Beschleunigungssensorelement 11 sind im Beschleunigungssensorelement 14, das in 17 gezeigt ist, der erste Massenkörper 21 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 211 und 212) und die festen Elektroden 51 und 52 (einschließlich der Kammzinkenelektroden 511 und 521) in derselben Weise ausgebildet und angeordnet.
Im Beschleunigungssensorelement 14 der sechsten bevorzugten Ausführungsform ist auch der erste Massenkörper 21 jeweils mit den Ankern 34 durch die ersten Balken 31 verbunden und der erste Massenkörper 21 ist so durch die Anker 34 abgestützt, wobei die ersten Balken 31 dazwischen eingefügt sind, dass er durch die eingegebene Beschleunigung verlagert wird.
Im Beschleunigungssensorelement 14 der sechsten bevorzugten Ausführungsform sind im Gegensatz zum vorher erörterten Beschleunigungssensorelement 11 der zweite Massenkörper 22 und die zweiten Balken 32 weggelassen. Im Beschleunigungssensorelement 14 der sechsten bevorzugten Ausführungsform sind stattdessen zweite Balken 33 und Balkenumgebungsabschnitte 9 vorgesehen.
Wie in 17 gezeigt, ist ein Ende von jedem der zweiten Balken 33 der sechsten bevorzugten Ausführungsform mit dem ersten Massenkörper 21 verbunden. Wie in 17 gezeigt, ist in einer Draufsicht in einem statischen Zustand des ersten Massenkörpers 21 das andere Ende des zweiten Balkens 33 vom Balkenumgebungsabschnitt 9 umgeben. Mit anderen Worten, im statischen Zustand des ersten Massenkörpers 21 ist das andere Ende des zweiten Balkens 33 frei, wobei es mit keinem Element in Kontakt steht (das heißt, das andere Ende des zweiten Balkens 33 ist weder durch die Trägersubstrate abgestützt noch an diesen befestigt).
Wie in 17 gezeigt, weist der Balkenumgebungsabschnitt 9 in einer Draufsicht eine quadratische U-Form auf und umgibt nicht nur das andere Ende des zweiten Balkens 33, sondern auch beide Seiten eines Teils des zweiten Balkens 33, der mit dem anderen Ende verbunden ist. In der beispielhaften Konfiguration von 17 ist ein zweiter Balken 33 an jeder der rechten und der linken Seitenfläche des ersten Massenkörpers 21 vorgesehen und ein Balkenumgebungsabschnitt 9 ist für jeden der zweiten Balken 33 vorgesehen.
In der sechsten bevorzugten Ausführungsform dienen die Balkenumgebungsabschnitte 9, die die anderen Enden der zweiten Balken 33 und deren Umgebung umgeben, als Verlagerungsfähigkeitsänderungselement, das in der ersten bevorzugten Ausführungsform erörtert wurde.
Jeder der Balkenumgebungsabschnitte 9 ist so ausgebildet, dass er sich in einer vorderen und hinteren Richtung in 17 erstreckt, und ist an beiden oder einem der Trägersubstrate, die in 17 nicht gezeigt sind, befestigt.
18 und 19 sind vergrößerte Draufsichten, die den zweiten Balken 33 und dessen Umgebung zeigen. Mit Bezug auf 18 und 19 wird eine Erörterung einer Operation des Beschleunigungssensors der sechsten bevorzugten Ausführungsform durchgeführt.
Wenn keine Beschleunigung in den Beschleunigungssensor der sechsten bevorzugten Ausführungsform eingegeben wird oder eine niedrige Beschleunigung in diesen eingegeben wird, dient das andere Ende des zweiten Balkens 33 als freies Ende, das von dem Balkenumgebungsabschnitt 9 entfernt ist, wie in 18 gezeigt.
Wenn eine bestimmte oder höhere Beschleunigung in den Beschleunigungssensor der sechsten bevorzugten Ausführungsform eingegeben wird, wird der erste Massenkörper 21 weit in einer vertikalen (aufwärts und abwärts) Richtung in 19 verlagert. Dann wird das andere Ende des zweiten Balkens 33 mit dem Balkenumgebungsabschnitt 9 in Kontakt gebracht, wie in 19 gezeigt.
Nach dem Kontakt beeinflussen sowohl der erste als auch der zweite Balken 31 und 33 die Verlagerung (Verlagerungsfähigkeit) des ersten Massenkörpers 21 und die Steifigkeit aller Balken wird höher als jene vor dem Kontakt.
Mit anderen Worten, im Beschleunigungssensor der sechsten bevorzugten Ausführungsform kommt im Bereich mit niedriger Beschleunigung der zweite Balken 33 nicht mit dem Balkenumgebungsabschnitt 9 in Kontakt und nur der erste Balken 31 beeinflusst die Verlagerung (Verlagerungsfähigkeit) des ersten Massenkörpers 21. Andererseits kommt im Bereich mit hoher Beschleunigung der zweite Balken 33 mit dem Balkenumgebungsabschnitt 9 in Kontakt und sowohl der erste Balken 31 als auch der zweite Balken 33 beeinflussen die Verlagerung (Verlagerungsfähigkeit) des ersten Massenkörpers 21. Folglich kann der Beschleunigungssensor der sechsten bevorzugten Ausführungsform einen breiten Bereich einer Beschleunigung erfassen.
In der Konfiguration von 17 ist ein zweiter Balken 33 an jeder der rechten und der linken Seitenfläche des ersten Massenkörpers 21 vorgesehen. Andererseits kann eine andere Konfiguration vorliegen, die in 20 gezeigt ist, bei der mehrere (in 20 drei) zweite Balken 33 an jeder der rechten und der linken Seitenfläche des ersten Massenkörpers 21 vorgesehen sind und ein Balkenumgebungsabschnitt 9 für jeden der zweiten Balken 33 vorgesehen ist.
Wie in 20 gezeigt, ist es durch Erhöhen der Anzahl von zweiten Balken 33 und der Anzahl von Balkenumgebungsabschnitten 9, die entsprechend den zweiten Balken 33 vorgesehen sind, möglich, eine feinere Steuerung der Steifigkeit des Balkens durchzuführen. Im Beschleunigungssensor mit der in 20 gezeigten Konfiguration kann daher die Ausgangsempfindlichkeitscharakteristik näher einer solchen idealen hergestellt werden, wie durch die Linie (gestrichelte Linie) von 8 angegeben.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht einschränkend. Daher können selbstverständlich zahlreiche Modifikationen und Veränderungen entwickelt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Obwohl die Erfindung ausführlich beschrieben und gezeigt wurde, soll dies selbstverständlich lediglich zur Erläuterung und als Beispiel dienen und nicht als Beschränkung verstanden werden, wobei der Erfindungsgedanke und der Umfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-190892- A [0004]
JP 2009-014598- A [0004]

Claims

Beschleunigungssensor, der umfasst: einen ersten Massenkörper (21), der durch einen ersten Balken (31) gehalten wird und durch eine Beschleunigung verlagert werden kann; eine feste Elektrode (51, 52), die so angeordnet ist, dass sie die Verlagerung des Massenkörpers in eine elektrische Größe umsetzt; und ein Verlagerungsfähigkeitsänderungselement (22, 32, 23, 8, 9) zum Ändern der Verlagerungsfähigkeit des ersten Massenkörpers, wenn die Verlagerung des ersten Massenkörpers einen vorbestimmten Bereich überschreitet.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlagerungsfähigkeitsänderungselement ein zweiter Massenkörper (22) ist, der durch einen zweiten Balken (32) gehalten wird und durch eine Beschleunigung verlagert werden kann, wobei er vom ersten Massenkörper mit einem vorbestimmten Intervall dazwischen entfernt angeordnet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der zweiten Balken und mehrere der zweiten Massenkörper vorgesehen sind, und jeder der mehreren zweiten Massenkörper (223, 224, 225 und 226) durch einen entsprechenden der mehreren verschiedenen zweiten Balken (321, 322, 323 und 324) gehalten wird.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren zweiten Massenkörper dieselbe Masse aufweisen, und die mehreren zweiten Balken dieselbe Steifigkeit aufweisen.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren zweiten Massenkörper verschiedene Massen aufweisen, und die mehreren zweiten Balken verschiedene Steifigkeiten aufweisen.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (7) am zweiten Massenkörper dem ersten Massenkörper zugewandt oder am ersten Massenkörper dem zweiten Massenkörper zugewandt ausgebildet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Massenkörper (23) den ersten Massenkörper in einer Draufsicht umgibt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Balken den ersten Massenkörper mit dem zweiten Massenkörper verbindet, und der zweite Balken den zweiten Massenkörper mit einem Anker (34) verbindet, der als festes Ende dient.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Balken den ersten Massenkörper mit einem ersten Anker (35) verbindet, der als festes Ende dient, und der zweite Balken den zweiten Massenkörper mit einem zweiten Anker (34) verbindet, der als festes Ende dient.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung einer Kapazität nur zwischen dem ersten Massenkörper und der festen Elektrode erfasst wird.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Elektrode so angeordnet ist, dass sie die Verlagerung des zweiten Massenkörpers in eine elektrische Größe umsetzt, und sowohl die Änderung einer Kapazität zwischen dem ersten Massenkörper und der festen Elektrode als auch die Änderung einer Kapazität zwischen dem zweiten Massenkörper und der festen Elektrode erfasst werden.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlagerungsfähigkeitsänderungselement eine Stütze (8) ist, die nahe dem ersten Balken angeordnet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Stützen entlang einer Richtung angeordnet sind, in der sich der erste Balken erstreckt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Balken den Massenkörper mit einem Anker (34) verbindet, der als festes Ende dient, wobei der Beschleunigungssensor ferner umfasst einen zweiten Balken (33), von dem ein Ende mit dem ersten Massenkörper verbunden ist, wobei das Verlagerungsfähigkeitsänderungselement ein Balkenumgebungsabschnitt (9) ist, der das andere Ende des zweiten Balkens und beide Seiten eines Teils des zweiten Balkens nahe dem anderen Ende davon umgibt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der zweiten Balken und mehrere der Balkenumgebungsabschnitte vorgesehen sind, und einer der mehreren Balkenumgebungsabschnitte für jedes der anderen Enden der mehreren zweiten Balken vorgesehen ist.