DE102013212915B4

DE102013212915B4 - Trägheitssensor

Info

Publication number: DE102013212915B4
Application number: DE102013212915.7A
Authority: DE
Inventors: Yuhua Zhang; Heewon JEONG; Kiyoko Yamanaka; Masahide Hayashi
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: DE102013212915A1; JP6002481B2; US20140007685A1; DE102013212915A8; US9970956B2; JP2014016175A

Abstract

Trägheitssensor, der ein bewegliches Teil (104) in einem Hohlraum (117, 217) einschließt, der von einem ersten Substrat (101, 201), einem zweiten Substrat (102, 202), das auf dem ersten Substrat (101, 201) vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist,wobei der Trägheitssensor (1) einen Träger (109, 209) umfasst, der in Kontakt mit dem ersten Substrat (101, 201) und dem zweiten Substrat (102, 202) vorgesehen ist, um das bewegliche Teil (104) zu tragen, wobeidas bewegliche Teil (104) ein bewegliches Teil (104) ist, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse (116, 216) zu drehen, die durch den Träger (109, 209) verläuft, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor (1) ausgeübt wird, wobei das bewegliche Teil (104) einen ersten Bereich (104-1, 204-1) und einen zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs (104-1, 204-1) versetzt wird, wenn eine Trägheitskraft in Richtung der Erfassungsrichtung des Trägheitssensors ausgeübt wird,das zweite Substrat (102, 202) eine erste Erfassungselektrode (105a, 205a) gegenüber dem ersten Bereich (104-1, 204-1) und eine zweite Erfassungselektrode (105b, 205b) gegenüber dem zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt,die erste Erfassungselektrode (105a, 205a) und die zweite Erfassungselektrode (105b, 205b) in Bezug auf die Drehachse (116, 216) symmetrisch bereitgestellt sind,der Hohlraum (117, 217) in Bezug auf die Drehachse (116, 216) symmetrisch bereitgestellt ist, undeine Länge (L1) von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des ersten Bereichs (104-1, 204-1) und eine Länge (L2) von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des zweiten Bereichs (104-2, 204-2) in einer Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung und senkrecht zur Drehachse (116, 216) unterschiedlich sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertial- bzw. Trägheitssensor.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Trägheitssensor, der durch eine spanende Bearbeitungstechnik mikroelektromechanischer Systeme (micro electro mechanical systems, MEMS) hergestellt ist, erfasst die Versetzung bzw. Verlagerung eines beweglichen Teils, um eine Trägheitskraft zu messen. Der Trägheitssensor kann eine Trägheitskraft, wie etwa Beschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung, messen, indem er die Versetzung in ein elektrisches Signal umwandelt und das elektrische Signal mit einer elektronischen Schaltung verarbeitet. Insbesondere erfasst ein Kapazitätstyp-Trägheitssensor die Versetzung als Änderung der Kapazität zwischen einer festen Erfassungselektrode und einer beweglichen Elektrode. In der folgenden Erläuterung ist eine Richtung, die senkrecht zur Hauptebene einer Substratschicht ist, in welcher ein elastischer Steg und ein bewegliches Teil spanend bearbeitet werden sollen, als Richtung außerhalb der Ebene bezeichnet. Beispielsweise wird die Beschleunigung, die in die Richtung außerhalb der Ebene wirkt, als Beschleunigung außerhalb der Ebene bezeichnet.
Zur Erfassung der Beschleunigung in der Richtung außerhalb der Ebene ist es notwendig, den Schwerpunkt des beweglichen Teils von einer Drehachse zu verschieben. Ein Beispiel für einen Trägheitssensor, der ein solches bewegliches Teil aufweist, ist in JP 2010 - 536 036 A offenbart (Patentliteratur 1). In 1 der Patentliteratur 1 sind Längen von der Drehachse zu den jeweiligen linken und rechten Enden des beweglichen Teils auf verschiedene Längen eingestellt. Im Ergebnis ist der Schwerpunkt des beweglichen Teils von der Drehachse verschoben. Andererseits wird beispielsweise in 3 der Patentliteratur 1 ein Teil des beweglichen Teils in Bezug auf die Drehachse durch Ätzen zur Öffnung eines Lochs asymmetrisch entfernt (das geöffnete Loch wird als „Öffnung“) bezeichnet, um den Schwerpunkt von der Drehachse zu verschieben, während die Längen von der Drehachse zu den jeweiligen linken und rechten Enden des beweglichen Teils die gleichen bleiben. In beiden Konfigurationen der Patentliteratur 1 ist eine Elektrode unter dem beweglichen Teil vorgesehen. JP 2008 - 544 243 A (Patentliteratur 2) ist eine der Patentliteratur 1 ähnliche Literatur. Beispielsweise offenbart 3 die Konfiguration, in welcher ein Teil des beweglichen Teils asymmetrisch in Bezug auf die Drehachse durch Ätzen entfernt ist, während die Längen von der Drehachse zu den jeweiligen linken und rechten Enden des beweglichen Teils die gleichen bleiben.
Ein weiteres Beispiel des Beschleunigungssensors, welcher die Beschleunigung in der Richtung außerhalb der Ebene erfasst, ist in JP 2000 - 19 198 A beschrieben (Patentliteratur 3). Die Patentliteratur 3 offenbart eine Technik zum Bereitstellen mehrerer sub-tragender Träger, die in Bezug auf eine Drehachse asymmetrisch sind und einen Einfluss aufgrund der Verzerrung von oberen und unteren Substraten eines beweglichen Teils abbauen. Jedoch ist in der Patentliteratur 3 das bewegliche Teil in Bezug auf die Drehachse asymmetrisch konfiguriert. Es ist unklar, wie der Schwerpunkt von der Drehachse verschoben wird.
In der DE 10 2008 043 790 A1 (Patentliteratur 4) ist ein Beschleunigungssensor offenbart, der nach dem sogenannten Wippenprinzip arbeitet. Darüber hinaus offenbart die US 2004/0 025 591 A1 (Patentliteratur 5) einen weiteren Trägheitssensor, der ein erstes und ein zweites bewegliches Teil umfasst.
Als weiterer Stand der Technik richtet sich in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit auf ein Herstellungsverfahren, das einen Transferformvorgang zur Kostenreduzierung beim Verpacken bzw. Kapseln eines Trägheitssensors verwendet. Der Transferformvorgang ist ein Herstellungsvorgang, der nachstehend erläutert ist. Zunächst werden ein MEMS-Element, eine elektronische LSI-Schaltung und ein Gehäuserahmen in eine Form gesetzt und dann wird erwärmtes Harz bei hohem Druck von ungefähr 5 bis 20 MPa in die Form gefüllt. Das Harz wird abkühlen gelassen und verfestigt sich zu einem Formharzgehäuse zum Befestigen des MEMS-Elements, der elektronischen LSI-Schaltung und einer Führungsleitung. Der Transferformvorgang hat eine höhere Massenproduktivität als ein Vorgang, der in der Vergangenheit ein keramisches Gehäuse verwendete, und es wird erwartet, dass er ein wirksamer Vorgang bei der Reduzierung von Herstellungskosten für den Trägheitssensor ist.
Im MEMS-Element des Trägheitssensors ist das bewegliche Teil in einem Hohlraum bei Umgebungsdruck oder in einem Vakuum verkapselt. Wenn der Transferformvorgang bei einem solchen MEMS-Element angewendet wird, wird der hohe Druck, wenn das Harz bei diesem hohen Druck in die Form gefüllt wird, ebenfalls auf das MEMS-Element ausgeübt. Dann wird der Hohlraum des Elements verformt, da der Unterschied zwischen dem Innen- und Außendruck des Elements groß ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials (Silicium etc.), das das MEMS-Element bildet, unterscheidet sich vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Harzes. Daher wird das Element verformt, wenn Wärme im Transferformvorgang absorbiert und emittiert wird. Ferner hat das geformte Formharzgehäuse die Eigenschaft, sich durch Absorbieren von Wärme und Feuchtigkeit auszudehnen und durch Abgeben von Wärme und Trocken zusammenzuziehen. Daher wird das MEMS-Element je nach der Fluktuation in einer Umgebung, in die das Formharzgehäuse gesetzt ist, verformt.
Wie vorstehend erläutert, sind in dem Trägheitssensor, der den Transferformvorgang verwendet, verschiedene Verformungsfaktoren vorstellbar. Wegen der Deformation treten Probleme auf, die nachstehend erläutert sind.
Asymmetrische Verzerrung
Zunächst wird das Problem der asymmetrischen Verzerrung erläutert.
Wenn die Konfiguration, in welcher die Längen von der Drehachse zu den Enden des beweglichen Teils verändert werden (1 der Patentliteratur 1) und die Konfiguration, in welcher ein Teil des beweglichen Teils asymmetrisch entfernt wird (3 der Patentliteratur 1) verglichen werden, hat der Trägheitssensor mit der ersteren Konfiguration unter den gleichen Bedingungen die höhere Empfindlichkeit. Dies liegt daran, dass zwar in der letzteren Konfiguration ein Bereich, in dem die Öffnung in dem beweglichen Teil ausgebildet ist, ein nutzloser Bereich ist, der nicht zur Erfassung eines Trägheitsbetrags beiträgt, aber der nutzlose Bereich in der ersteren Konfiguration im beweglichen Teil fehlt. Ferner ist im Allgemeinen eine Wirkung des Verschiebens des Schwerpunkts größer, wenn die Längen zu den Enden des beweglichen Teils verändert werden, um den Schwerpunkt zu verschieben, als wenn die Öffnung geformt ist, um den Schwerpunkt zu verschieben. Daher ist es in der ersteren Konfiguration möglich, die Position des beweglichen Teils mit der gleichen Masse in größerem Umfang zu ändern. Im Ergebnis kann der Trägheitsbetrag mit höherer Empfindlichkeit erfasst werden.
Auf einem Substrat über dem beweglichen Teil ist wünschenswerterweise eine Erfassungselektrode vorgesehen, die dem beweglichen Teil gegenüberliegt. Dies liegt daran, dass eine Änderung der Kapazität im MEMS-Element durch Drahtverbindung extrahiert und an ein LSI übertragen wird; wenn die Erfassungselektrode über dem bewegliches Teil vorgesehen ist, ist sie leichter um die Führungsleitungen herum zu ziehen, als wenn die Erfassungselektrode unter dem beweglichen Teil vorgesehen ist.
Wenn jedoch ein Vorgang zum Ausüben hohen Drucks, wie etwa der Transferformvorgang, bei einem Trägheitssensor ausgeübt wird, der solche Anforderungen erfüllt, tritt eine asymmetrische Verzerrung in der Erfassungselektrode auf. Die asymmetrische Verzerrung wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert. In 7 sind die Längen von der Drehachse zu den Enden des beweglichen Teils links und rechts unterschiedlich eingestellt, und die Längen von der Drehachse zu den Hohlraumenden sind ebenfalls links und rechts unterschiedlich eingestellt. Erfassungselektroden 505a und 505b sind jeweils über einem beweglichen Teil 504 vorgesehen.
Wenn auf das MEMS-Element, das eine solche Konfiguration aufweist, durch den Transferformvorgang hoher Druck ausgeübt wird, fluktuiert die Umgebung, wie etwa Temperatur und Druck. Dann zeigen, wie in 8 gezeigt, obere Substrate, die in Kontakt mit dem Formharzgehäuse gesetzt sind, Verformungen, die sich voneinander unterscheiden. Die über dem Hohlraum vorgesehenen Erfassungselektroden 505a und 505b zeigen jeweils unterschiedliche Verformungen. Im Ergebnis zeigen die Kapazitäten zwischen den Erfassungselektroden und einer beweglichen Elektrode Änderungen, die sich voneinander unterscheiden. Wenn die Kapazitäten von einer Differenzialerfassung, die in 6 gezeigt ist, erfasst werden, tritt eine Versetzung ein. Dies verursacht eine Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit. Von allen Patentliteraturen wird das Problem der asymmetrischen Verzerrung und Mittel zur Lösung des Problems weder beschrieben noch angegeben.
Verzerrung aufgrund hohen Drucks
Zweitens wird die Verzerrung aufgrund hohen Drucks erläutert. Im Transferformvorgang wird, wenn das Harz eingefüllt wird, ein hoher Druck von ungefähr 5 bis 20 MPa auf das MEMS-Element ausgeübt. In einem solchen Hochdruckvorgang ist eine Änderung in der Erfassungselektrode aufgrund der Verzerrung des MEMS-Elements im Vergleich zum Vorgang in der Vergangenheit ebenfalls groß. Daher ist es, selbst wenn der Trägheitssensor dazu konfiguriert ist, imstande zu sein, den Einfluss einer relativen Änderung in der Erfassungselektrode aufgrund der asymmetrischen Verzerrung zu reduzieren, bevorzugt, dass der Trägheitssensor eine absolute Änderung in der Erfassungselektrode ebenfalls reduzieren kann. Ein Träger, der wie in der Patentliteratur 3 bereitgestellt ist, ist eine von Konfigurationen zur Reduzierung einer solchen absoluten Änderung. Jedoch ist sie für den Transferformvorgang besser geeignet, wenn die absolute Änderung auch durch die Konfiguration des beweglichen Teils reduziert werden kann. Jedoch wird nicht nur von der Patentliteratur 3, sondern auch von allen Patentliteraturen eine solche Konfiguration des beweglichen Teils weder beschrieben noch angegeben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der Probleme gemacht worden, und es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägheitssensor bereitzustellen, der den Einfluss der asymmetrischen Verzerrung eines MEMS-Elements weiter reduzieren kann. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägheitssensor bereitzustellen, der den Einfluss der Verzerrung des MEMS-Elements aufgrund hohen Drucks weiter reduzieren kann.
Von den Einrichtungen zum Lösen der Probleme gemäß der vorliegenden Erfindung sind repräsentative Einrichtungen nachstehend veranschaulicht.
Es wird ein Trägheitssensor bereitgestellt, der ein bewegliches Teil in einem Hohlraum beinhaltet, das von einem ersten Substrat, einem zweiten Substrat, das über dem ersten Substrat vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist, wobei der Trägheitssensor einen Träger einschließt, der in Kontakt mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat bereitgestellt ist, um das bewegliche Teil zu tragen. Das bewegliche Teil ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse zu drehen, die durch den Träger hindurchgeht, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das bewegliche Teil beinhaltet einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs platziert ist, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat beinhaltet eine erste Erfassungselektrode gegenüber dem ersten Bereich und eine zweite Erfassungselektrode gegenüber dem zweiten Bereich. Die erste Erfassungselektrode und die zweite Erfassungselektrode sind in Bezug auf die Drehachse symmetrisch bereitgestellt. Der Hohlraum ist in Bezug auf die Drehachse symmetrisch bereitgestellt. In einer Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung und zur Drehachse sind die Länge von der Drehachse zu einem Ende des ersten Bereichs und die Länge von der Drehachse zu einem Ende des zweiten Bereichs unterschiedlich.
Alternativ wird ein nicht erfindungsgemäßer Trägheitssensor bereitgestellt, der erste und zweite bewegliche Teile in einem Hohlraum einschließt, der von einem ersten Substrat, einem zweiten Substrat, das über dem ersten Substrat vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist, wobei der Trägheitssensor einen Träger einschließt, der in Kontakt mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ist, um das erste bewegliche Teil zu tragen. Das erste bewegliche Teil ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse zu drehen, die durch den Träger hindurchgeht, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das erste bewegliche Teil beinhaltet einen ersten Bereich, der mit dem zweiten beweglichen Teil über einen elastischen Steg verbunden ist, und einen zweiten Bereich, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs versetzt wird, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat beinhaltet eine erste Erfassungselektrode, die dem ersten Bereich gegenüberliegt, und eine zweite Erfassungselektrode, die dem zweiten Bereich gegenüberliegt. Die erste Erfassungselektrode und die zweite Erfassungselektrode sind in Bezug auf die Drehachse symmetrisch bereitgestellt. Der Hohlraum ist in Bezug auf die Drehachse symmetrisch bereitgestellt.
Alternativ ist ein Trägheitssensor bereitgestellt, der ein bewegliches Teil in einem Hohlraum einschließt, der von einem ersten Substrat, einem zweiten Substrat, das über dem ersten Substrat vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist, wobei der Trägheitssensor einen ersten Träger einschließt, der in Kontakt mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat vorgesehen ist, um das bewegliche Teil zu tragen, und einen zweiten Träger, der in Kontakt mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat und nicht in Kontakt mit dem beweglichen Teil vorgesehen ist. Das bewegliche Teil ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse zu drehen, die durch den ersten Träger hindurchgeht, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das bewegliche Teil beinhaltet einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs versetzt wird, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat beinhaltet eine erste Erfassungselektrode gegenüber dem ersten Bereich und eine zweite Erfassungselektrode gegenüber dem zweiten Bereich. Die erste Erfassungselektrode und die zweite Erfassungselektrode sind in Bezug auf die Drehachse symmetrisch vorgesehen. In einer Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung und der Drehachse sind die Länge von der Drehachse zu einem Ende des ersten Bereichs und die Länge von der Drehachse zu einem Ende des zweiten Bereichs unterschiedlich.
Von den Wirkungen der vorliegenden Erfindung ist eine repräsentative Wirkung nachstehend veranschaulicht. Im Trägheitssensor ist es möglich, den Einfluss der asymmetrischen Verzerrung eines MEMS-Elements weiter zu reduzieren. Alternativ ist es im Trägheitssensor möglich, den Einfluss der Verzerrung des MEMS-Elements aufgrund hohen Drucks weiter zu reduzieren.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht auf einen Trägheitssensor, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
1B ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
1C ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
2 ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
3A ist eine Draufsicht auf den Trägheitssensor, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
3B ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
3C ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
4A ist eine Draufsicht auf den Trägheitssensor, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
4B ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
5A ist eine Draufsicht auf den Trägheitssensor, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
5B ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors, der mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
6 ist eine Figur des Prinzips der differenziellen Erfassung des Trägheitssensors;
7 ist eine Schnittansicht eines Trägheitssensors in der Vergangenheit bzw. des Standes der Technik; und
8 ist eine Schnittansicht des Trägheitssensors in der Vergangenheit, der durch Druck verformt ist.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Erläuterung ist zur Vereinfachung der Erläuterung eine X-Achse in lateraler Richtung (einer Links- und Rechts-Richtung auf dem Papier) unter Richtungen parallel zu einer Substratfläche eingestellt, eine Y-Achse ist in einer Längsrichtung unter den Richtungen parallel zur Substratfläche eingestellt und eine Z-Achse ist in einer Richtung senkrecht zur Substratfläche eingestellt. Wenn die Achsen auf diese Weise eingestellt sind, wird eine XY-Ebene ebenfalls als „in der Ebene“ bezeichnet, und eine Z-Achsen-Richtung wird auch als „außerhalb der Ebene“ bezeichnet. Die Z-Achsen-Richtung ist eine Erfassungsrichtung eines Trägheitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Y-Achsen-Richtung ist eine Richtung, in welcher eine Drehachse des Trägheitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft.
Erste Ausführungsform
1A ist eine Schnittansicht eines MEMS-Elements 1 in einer ersten Ausführungsform auf der XY-Ebene, das ein bewegliches Teil 104 einschließt. Ein Bereich des beweglichen Teils 104 gegenüber Erfassungselektroden 105a und 105b und ein Bereich des beweglichen Teils 104 gegenüber einer Diagnoseelektrode 111 sind durch punktierte Linien angegeben. 1B ist eine Schnittansicht in einer XZ-Ebene des in 1A gezeigten MEMS-Elements 1 längs einer Linie A-A'.
In dem in den 1A und 1B gezeigten MEMS-Element 1 sind in einem Hohlraum 117, der von einem ersten Siliciumwafersubstrat 101, einem zweiten Siliciumwafersubstrat 102, das über dem ersten Siliciumwafersubstrat 101 vorgesehen ist, und einer Seitenwand 118 umgegeben ist, das auf einem Siliciumwafersubstrat 103 ausgebildete bewegliche Teil 104, ein elastischer Steg 112, ein Trägerabschnitt 109 und ein Rahmenkörper 115 vorgesehen. Auf diese Weise wird wünschenswerterweise ein Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform durch eine dreischichtige Struktur einschließlich drei Siliciumwafersubstraten gebildet.
Der Trägerabschnitt 109 ist in der Mitte des Rahmenkörpers 115 vorgesehen. Der Hohlraum 117 ist X-achsensymmetrisch oder Y-achsensymmetrisch in Bezug auf den Trägerabschnitt 109. Insbesondere kann, was eine X-Achsen-Richtung betrifft, der Hohlraum 117 auch so bezeichnet werden, dass er in Bezug auf eine Drehachse 116, die durch den Trägerabschnitt 109 geht, symmetrisch ist.
Der elastische Steg 112 ist eine Torsionsfeder. Der elastische Steg 112 verläuft von einem Satz Seitenflächenbereiche gegenüber dem Trägerabschnitt 109 in der Y-Achsen-Richtung.
Das bewegliche Teil 104 ist ein Trägheitsmassenabschnitt, der auf dem Siliciumwafersubstrat 103 ausgebildet ist. Das bewegliche Teil 104 über den elastischen Steg 112 am Trägerabschnitt 109 befestigt. Eine vorgegebene Spannung ist über eine Elektrode 107 am beweglichen Teil 104 angelegt. Als Ergebnis funktioniert das bewegliche Teil 104 als bewegliche Elektrode. Die Erfassungselektroden 105a und 105b sind auf dem Substrat 102 ausgebildet, das dem beweglichen Teil 104 gegenüberliegt. Die Erfassungselektroden 105a und 105b sind in Bezug auf die Drehachse 116 symmetrisch bereitgestellt. In dem beweglichen Teil 104 wird ein Bereich gegenüber der Erfassungselektrode 105a als erster Bereich 104-1 bezeichnet und ein Bereich gegenüber der Erfassungselektrode 105b wird als zweiter Bereich 104-2 bezeichnet. Dann, wenn eine Beschleunigung in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor ausgeübt wird und das bewegliche Teil 104 sich dreht, werden der erste Bereich 104-1 und der zweite Bereich 104-2 in einander entgegengesetzten Richtungen in Erfassungsrichtung versetzt.
Hinsichtlich der Y-Achsen-Richtung ist das bewegliche Teil 104 in Bezug auf die Linie A-A' symmetrisch vorgesehen. Jedoch ist hinsichtlich der X-Achsen-Richtung das bewegliche Teil 104 in Bezug auf die Drehachse 116 asymmetrisch vorgesehen. Insbesondere sind eine Länge L1 von der Drehachse 116 zu einem Ende des ersten Bereichs und eine Länge L2 von der Drehachse 116 zu einem Ende des zweiten Bereichs unterschiedlich. Indem das bewegliche Teil 104 auf diese Weise ausgebildet wird, wird der Schwerpunkt des beweglichen Teils 104 von der Drehachse 116 verschoben. Andererseits ist der Hohlraum 117 im Gegensatz zum beweglichen Teil 104 in Bezug auf die Drehachse 116 symmetrisch vorgesehen.
Das bewegliche Teil 104 bildet die Kapazität C_N zwischen dem beweglichen Teil 104 und der Erfassungselektrode 105a und bildet die Kapazität C_P zwischen dem beweglichen Teil 104 und der Erfassungselektrode 105b. Wie vorstehend erläutert, wird der Schwerpunkt des beweglichen Teils 104 von der Drehachse 116 verlagert. Daher dreht sich, wenn eine Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung (der Z-Achsen-Richtung) auf den Trägheitssensor ausgeübt wird, das bewegliche Teil 104 um die Drehachse 116. Im Ergebnis nimmt eine der Kapazitäten C_N und C _P zu und die andere ab. Auf diese Weise wird die von der Trägheitskraft verursachte Versetzung d des beweglichen Teils 104 in einer Form der Kapazität C ausgegeben. Eine Beziehung zwischen der Versetzung d und der Kapazität C ist wie durch den Ausdruck (1) angegeben, in welchem A für einen Bereich ebener Platten der Kapazitäten steht und s für eine dielektrische Konstante zwischen den Platten steht. $C = ε A/d$
In 1C ist insbesondere das bewegliche Teil 104 versetzt, um den Zwischenplattenabstand von C_N zu erhöhen und den Zwischenplattenabstand von C_P zu verringern. In diesem Fall nimmt die Kapazität von C_N ab und die Kapazität von Cp nimmt zu. Andererseits nimmt, wenn eine Trägheitskraft in der entgegengesetzten Richtung ausgeübt wird, die Kapazität von C_N zu und die Kapazität von C_P nimmt ab. Daher ist es möglich, die Größe und Richtung der auf den Trägheitssensor ausgeübten Trägheitskraft durch Messen von C_N und C_P unter Verwendung einer in 6 gezeigten Differenzialerfassungsschaltung zu erfassen.
Ferner ist es, wenn die Diagnoseelektrode 111 auf dem Siliciumwafersubstrat 102 ausgebildet ist, auch möglich, eine Selbstdiagnosefunktion an den Trägheitssensor zu übertragen. Die Diagnoseelektrode 111 ist eine auf dem Substrat 102 ausgebildete Elektrode, die in einer Position gegenüber einem asymmetrischen Bereich des beweglichen Teils 104 angeordnet ist und während einer Diagnose des Trägheitssensors verwendet wird. Die Selbstdiagnosefunktion ist eine Funktion, die als Initialdiagnosefunktion des Trägheitssensors verwendet wird. Insbesondere wird, bevor die Trägheitskraft tatsächlich von außen ausgeübt wird, eine vorgegebene Spannung an die Diagnoseelektrode 111 angelegt, um das bewegliche Teil 104 mit elektrostatischer Kraft zu drehen. Durch Erfassen einer Versetzung des beweglichen Teils 104 aufgrund der Rotation als Änderung der Kapazität über die Erfassungselektroden ist es möglich zu bestätigen, dass das bewegliche Teil 104 des Trägheitssensors nicht gesperrt ist. Da die Diagnoseelektrode 111 auf diese Weise bereitgestellt wird, ist es möglich, einen zuverlässigeren Trägheitssensor vorzusehen.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung des Trägheitssensors in dieser Ausführungsform erläutert. Bei dem Herstellungsverfahren in dieser Ausführungsform wird angenommen, dass das MEMS-Element 1 auf einem SOI- (Silicon On Insulator, Silicium auf Isolator) -Substrat unter Anwendung einer spanenden Bearbeitungstechnik, wie etwa Fotolithografie oder DRIE (Deep Reactive Ion Etching, reaktives lonentiefätzen) spanend bearbeitet wird.
Das bewegliche Teil 104 ist von einem Trägerabschnitt 108 getragen, der in Kontakt mit dem Substrat 101 eingesetzt ist, einem Trägerabschnitt 110, der in Kontakt mit dem Substrat 102 eingesetzt ist, und dem auf dem Substrat 103 vorgesehenen Trägerabschnitt 109. Der Trägerabschnitt 108 und der Trägerabschnitt 110 sind jeweils mit dem Trägerabschnitt 109 durch Silicium-Silicium-Verbinden zusammengefügt. Der Trägerabschnitt 108, der Trägerabschnitt 109 und der Trägerabschnitt 110 sind jeweils Seite an Seite in der Z-Achsen-Richtung zur Bildung eines Trägers 11 vorgesehen, der in Kontakt mit den Siliciumwafersubstraten 101 und 102 eingesetzt ist. Der Träger 11 ist nur durch das Silicium-Silicium-Verbinden zwischen den Siliciumwafersubstraten gebildet. Daher ist der Träger 11 durch das Zusammenfügen von Materialien mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Es ist möglich, eine Verformung beim Zusammenfügen zu unterdrücken.
Die Erfassungselektroden 105a und 105b, die Elektrode 107 und die Selbstdiagnoseelektrode 111 sind durch Silicium-Dotieren der Siliciumwafersubstrate 102 und 103 und unter Anwendung einer Durchgangselektrodentechnik ausgebildet. Die Durchgangselektrodentechnik ist eine Technik zum Schneiden einer Rille rund um jede Elektrode unter Anwenden von Trockenätzen und anschließendem Ausbilden einer Isolierdünnschicht bei hoher Temperatur und Füllen der Rille mit Isoliermaterial. Die maximale Dicke einer Oxiddünnschicht (SiO₂), die auf einem Siliciumwafer ausgebildet sein kann, beträgt normalerweise ungefähr 2 µm. Daher beträgt der maximale Wert der Breite der Rille ungefähr 4 µm der auf beiden Seiten ausgebildeten Oxiddünnschicht. Andererseits beträgt die Grenze eines Verhältnisses der Breite zur Tiefe der Rille beim Silicium-Trockenätzen beispielsweise ungefähr 1:25. Daher beträgt die Obergrenze der Tiefe der Rille, d.h. die Dicke der Siliciumwafersubstrate 102 und 103, 100 µm. Die vorstehend beschriebenen Zahlenwerte sind Beispiele und ändern sich je nach Vorgang. Jedoch wird die Dicke der Siliciumwafersubstrate durch die Dicke der Oxiddünnschicht und des Silicium-Trockenätzens reguliert. Daher kann die Dicke der Siliciumwafersubstrate nicht willkürlich erhöht werden. Deshalb ist ein Aufbau zum Sichern der Festigkeit unter Verwendung eines Trägers oder dergleichen notwendig. Da die Erfassungselektroden 105a und 105b, die Elektrode 107 und die Selbstdiagnoseelektrode 111, die durch die Durchgangselektrodentechnik ausgebildet ist, in dem Siliciumwafersubstrat 102 im oberen Teil vorgesehen sind, ist es möglich, Signale von den Elektroden zu extrahieren, ohne andere Metallelektroden oder dergleichen bereitzustellen.
Es wird der Aufbau des Trägheitssensors nach der Anwendung des Transferformvorgangs erläutert. Das MEMS-Element 1 ist an einem oberen Teil einer elektronischen LSI-Schaltung 2 durch ein Klebemittel oder dergleichen befestigt. Das MEMS-Element 1 und die elektronische LSI-Schaltung 2, die aneinander befestigt sind, sind an einem Führungsrahmen 3 befestigt. Danach werden das MEMS-Element 1, die elektronische LSI-Schaltung 2 und der Führungsrahmen 3 durch Drahtverbindung elektrisch verbunden und auf einer Form im Transferformvorgang montiert. Wenn Harz mit hohem Druck in die Form gefüllt und die Form entfernt wird, nachdem das Harz abgekühlt ist, ist ein Formharzgehäuse gebildet und der in 2 gezeigte Aufbau wird erhalten.
Wie vorstehend erläutert, ist der Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform ein Trägheitssensor, der das bewegliche Teil 104 einschließt, das im Hohlraum 117 vorgesehen ist, der von dem ersten Substrat 101, dem zweiten Substrat 102, das über dem ersten Substrat 101 vorgesehen ist, und der Seitenwand 118 umgeben ist. Der Trägheitssensor beinhaltet den Träger 11 (die Trägerabschnitte 108 bis 110), der in Kontakt mit dem ersten Substrat 101 bereitgestellt ist, und das zweite Substrat 102 zum Tragen des beweglichen Teils 104. Das bewegliche Teil 104 ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um die Drehachse 116 zu drehen, die durch die Trägerabschnitte hindurchgeht, wenn die Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung (der Z-Achsen-Richtung) auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das bewegliche Teil 104 beinhaltet den ersten Bereich 104-1 und den zweiten Bereich 104-2, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs 104-1 versetzt wird, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat 102 beinhaltet die erste Erfassungselektrode 105a gegenüber dem ersten Bereich 104-1 und die zweite Erfassungselektrode 105b gegenüber dem zweiten Bereich 104-2. Die erste Erfassungselektrode 105a und die zweite Erfassungselektrode 105b sind in Bezug auf die Drehachse 116 symmetrisch bereitgestellt. Der Hohlraum 117 ist in Bezug auf die Drehachse 116 symmetrisch bereitgestellt. In der Richtung (der X-Achsen-Richtung) senkrecht zur Erfassungsrichtung und einer Richtung, in welcher die Drehachse 116 verläuft, sind die Länge L1 von der Drehachse 116 zum Ende des ersten Bereichs 104-1 und die Länge L2 von der Drehachse 116 zum Ende des zweiten Bereichs 104-2 unterschiedlich.
Mit einer solchen Konfiguration werden im Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform die Längen von der Drehachse zu beiden Enden des beweglichen Teils geändert und die Erfassungselektroden sind auf dem Substrat über dem beweglichen Teil vorgesehen. Daher wird die bevorzugtere MEMS-Element-Konfiguration, die in der Zusammenfassung beschrieben ist, durch den Trägheitssensor bereitgestellt.
Ferner ist in dem Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform der Hohlraum in Bezug auf die Drehachse symmetrisch bereitgestellt. Daher wird, wenn der Hohlraum durch eine Umweltänderung verformt wird, der Hohlraum rund um den Träger symmetrisch versetzt. Die Erfassungselektroden werden um den gleichen Grad gemäß der Versetzung des Hohlraums ebenfalls versetzt. Im Ergebnis können, selbst wenn der Hohlraum verformt wird, die Versetzungen der Kapazitäten C_N und C_P gleich gesetzt werden. Daher ist es, indem die Kapazitätsänderungen einer Signalverarbeitung in der Differenzialerfassungsschaltung unterzogen werden, möglich, die Kapazitätsänderungen aufzuheben, die äquivalent der Verformung des Hohlraums sind, und den Einfluss aufgrund der Verformung des Hohlraums zu reduzieren.
In dem Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform ist die Länge L2 des zweiten Bereichs 104-2 (die Länge von der Drehachse 116 zum Ende des zweiten Bereichs 104-2) größer als die Länge L1 des ersten Bereichs 104-1 (die Länge von der Drehachse 116 zum Ende des ersten Bereichs 104-1). Das zweite Substrat 102 beinhaltet die Diagnoseelektrode 111, die dem zweiten Bereich 104-2 gegenüberliegt und während einer Diagnose des Trägheitssensors eingesetzt wird.
Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, einen zuverlässigeren Trägheitssensor bereitzustellen. Insbesondere sollte beachtet werden, dass die Diagnoseelektrode 111 einem Teil des zweiten Bereichs 104-2 gegenüberliegt, der der Erfassungselektrode 105b nicht gegenüberliegt. Das heißt, dieser Bereich ist ein Teil zum Verschieben des Schwerpunkts des beweglichen Teils 104 von der Drehachse 116 und ist ein Teil, der als Gegenelektrode zum Durchführen einer Selbstdiagnosefunktion fungiert. Daher ist mit einer solchen Konfiguration, im Vergleich zum Trägheitssensor außerhalb der Ebene in der Vergangenheit, ein Chipbereich notwendig, um die Selbstdiagnosefunktion zu übermitteln.
In dem Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform sind das erste und zweite Substrat (101 und 102) und das bewegliche Teil 104 (d. h. das Substrat 103, auf welchem das bewegliche Teil 104 konfiguriert ist) alle aus Silicium ausgebildet. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Verformung beim Zusammenfügen im Vergleich mit dem Trägheitssensor, in welchem die Substrate und das bewegliche Teil aus mehreren Materialien ausgebildet sind, abzubauen. Ferner ist es möglich, eine Interferenz externen elektromagnetischen Wellenrauschens durch Anlegen einer Spannung an die Siliciumwafersubstrate zu reduzieren.
Zweite Ausführungsform
Es wird eine zweite Ausführungsform erläutert. Auf eine detaillierte Erläuterung der gleichen Komponenten wie die Komponenten in der ersten Ausführungsform wird verzichtet. Hauptsächlich werden Unterschiede zur ersten Ausführungsform erläutert.
3A ist eine Schnittansicht in einer XY-Ebene des MEMS-Elements 1 gemäß dieser Ausführungsform. Ein Teil eines ersten beweglichen Teils 204 gegenüber den Erfassungselektroden 205a und 205b und ein Teil eines zweiten beweglichen Teils 206 gegenüber Diagnoseelektroden 211a und 211b sind durch punktierte Linien angegeben. 3B ist eine Schnittansicht in einer XZ-Ebene der 3A längs einer Linie A-A'.
In dem MEMS-Element 1 gemäß dieser Ausführungsform sind in einem Hohlraum, der von einem ersten Siliciumwafersubstrat 201, einem zweiten Siliciumwafersubstrat 202, das über dem ersten Siliciumwafersubstrat 201 vorgesehen ist, und einer Seitenwand 218 das erste bewegliche Teil 204 und das zweite bewegliche Teil 206, die in einem Siliciumwafer 203 ausgebildet sind, elastische Stege 212 und 213, ein Trägerabschnitt 209 und ein Rahmenkörper 215 vorgesehen.
Der Trägerabschnitt 209 ist in der Mitte des Rahmenkörpers 215 vorgesehen. Ein Hohlraum 217 ist X-achsensymmetrisch und Y-achsensymmetrisch in Bezug auf den Trägerabschnitt 209. Insbesondere kann, was die X-Achsen-Richtung betrifft, der Hohlraum 117 auch so bezeichnet werden, dass er in Bezug auf eine Drehachse 216 symmetrisch ist.
Der elastische Steg 212 ist eine Torsionsfeder, gleich wie der elastische Steg 112 in der ersten Ausführungsform. Der elastische Steg 213 ist ein elastischer Steg zum Versetzen des zweiten beweglichen Teils 206 in der Z-Achsen-Richtung in Bezug auf das erste bewegliche Teil 204.
Das erste bewegliche Teil 204 und das zweite bewegliche Teil 206 sind jeweils Trägheitsmassenabschnitte, die auf dem Siliciumwafersubstrat 203 ausgebildet sind. Das erste bewegliche Teil 204 ist am Trägerabschnitt 209 über den elastischen Steg 212 befestigt. In dem ersten bewegliche Teil 204 wird eine Seite, die über den elastischen Steg 213 in Kontakt mit dem zweiten beweglichen Teil 206 gesetzt ist, als erster Bereich 204-1 bezeichnet, und eine Seite, die nicht in Kontakt mit dem zweiten beweglichen Teil 206 gesetzt ist, wird als zweiter Bereich 204-2 bezeichnet. Dann ist es möglich, den Schwerpunkt der gesamten beweglichen Teile weiter zur Seite des ersten Bereichs 204-1 von der Drehachse 216 um einen Betrag zu bewegen, der äquivalent der Masse des zweiten beweglichen Teils 206 ist. Das heißt, es ist möglich, während das erste bewegliche Teil 204 und das zweite bewegliche Teil 206 X-achsensymmetrisch ausgebildet werden, einen Trägheitssensor zu realisieren, der imstande ist, eine Trägheitskraft in Richtung außerhalb der Ebene zu messen. Mit anderen Worten, es ist möglich, während die Abstände von der Drehachse 216 zu beiden Enden des ersten beweglichen Teils 204 gleich eingestellt werden und die Abstände von der Drehachse 216 zu beiden Enden des zweiten beweglichen Teils 206 gleich eingestellt werden, einen Trägheitssensor zu realisieren, der imstande ist, eine Trägheitskraft in der Richtung außerhalb der Ebene zu messen.
Die Erfassungselektroden 205a und 205b gegenüber dem ersten beweglichen Teil 204 sind auf dem zweiten Siliciumwafersubstrat 202 vorgesehen und in Bezug auf die Drehachse 216 symmetrisch bereitgestellt.
Eine Schnittansicht des in 3B gezeigten MEMS-Elements 1, auf das eine Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung ausgeübt wird, ist in 3C gezeigt. Wenn 3C und 1C verglichen werden, unterscheidet sich 3C darin von 1C, dass das zweite bewegliche Teil 206 ebenfalls versetzt wird. Jedoch ist 3C darin gleich wie 1C, dass die beweglichen Elektroden 204a und 204b in dem ersten beweglichen Teil 204 ausgebildet sind und die Kapazitäten C_N und C_P unterschiedlich erfasst werden. Daher ist es möglich, die Größe und Richtung der Trägheitskraft gemäß einem Verfahren zu erfassen, das das gleiche wie das Verfahren in der ersten Ausführungsform ist. Das heißt, das zweite bewegliche Teil 206 ist ein Trägheitsmassenabschnitt zum Verschieben des Schwerpunkts des ersten beweglichen Teils 204 von der Drehachse 216. Das Messprinzip ist das gleiche wie das Prinzip in der ersten Ausführungsform.
Wie vorstehend erläutert, ist der Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform ein Trägheitssensor, der das erste bewegliche Teil 204 und das zweite bewegliche Teil 206 einschließt, die in dem Hohlraum 217 vorgesehen sind, der von dem ersten Substrat 201, dem zweiten Substrat 202, das über dem ersten Substrat 201 vorgesehen ist, und der Seitenwand 218 umgeben ist. Der Trägheitssensor beinhaltet den Träger 11 (Trägerabschnitte 208, 209 und 210), der im Kontakt mit dem ersten Substrat 201 und dem zweiten Substrat 202 vorgesehen ist, um das erste bewegliche Teil 204 zu tragen. Das erste bewegliche Teil 204 ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um die Drehachse 216 zu drehen, die durch die Trägerabschnitte hindurchgeht, wenn eine Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung (der Z-Achsen-Richtung) auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das erste bewegliche Teil 204 beinhaltet den ersten Bereich 204-1, der mit dem zweiten beweglichen Teil 206 über den elastischen Steg 213 verbunden ist, und den zweiten Bereich 204-2, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs 204-1 versetzt wird, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat 202 beinhaltet die erste Erfassungselektrode 205a gegenüber dem ersten Bereich 204-1 und die zweite Erfassungselektrode 205b gegenüber dem zweiten Bereich 204-2. Die erste Erfassungselektrode 205a und die zweite Erfassungselektrode 205b sind in Bezug auf die Drehachse 216 symmetrisch bereitgestellt. Der Hohlraum 217 ist in Bezug auf die Drehachse 216 symmetrisch bereitgestellt.
Mit einer solchen Eigenschaft werden im Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform Wirkungen erzielt, die die gleichen wie die Wirkungen des Trägheitssensors gemäß der ersten Ausführungsform sind. Des Weiteren ist der Hohlraum in dem symmetrischen Aufbau ausgebildet, um die Fläche des Elements zu reduzieren. Das heißt, wie in der ersten Ausführungsform wird, verglichen mit dem Trägheitssensor des Typs zum Bereitstellen der Öffnung, der in 3 der Patentliteratur 1 gezeigt ist, die Wirkung des Verschiebens des Schwerpunkts weiter erhöht, ohne einen nutzlosen Bereich vorzusehen. Ferner ist es, verglichen mit der ersten Ausführungsform, möglich, die Innenseite des Hohlraum effektiv zu nutzen und die Fläche des gesamten Elements zu reduzieren da der symmetrische Aufbau realisiert wird, wenn die Gesamtheit der beweglichen Teile, selbst der Hohlraum 217, in dem symmetrischen Aufbau ausgebildet wird.
Ferner ist es, wenn eine Diagnoseelektrode in einem Bereich des Substrats 202 gegenüber dem zweiten beweglichen Teil 206 vorgesehen ist, möglich, das zweite bewegliches Teil 206 als Bereich zum Verschieben des Schwerpunks von der Drehachse 216 und als Bereich zu verwenden, der als gegenüberliegende Elektrode bei der Anwendung der Selbstdiagnosefunktion fungiert.
Es wird eine Modifikation der 3A bis 3C unter Bezugnahme auf die 4A und 4B erläutert. Auf eine detaillierte Erklärung von Komponenten, die die gleichen wie die in den 3A bis 3C gezeigten Komponenten sind, wird verzichtet. Hauptsächlich werden nachstehend Unterschiede zu den 3A bis 3C erklärt.
In den 4A und 4B sind in einem ersten beweglichen Teil 304 ein erster Bereich 304-1 und ein zweiter Bereich 304-2 in Bezug auf einen elastischen Steg 312 X-achsensymmetrisch ausgebildet. Ein zweites bewegliches Teil 306 ist mit dem ersten Bereich 304-1 über einen elastischen Steg 313 verbunden.
Im zweiten beweglichen Teil 306 sind ein erster Bereich 306-1 gegenüber einer Diagnoseelektrode 311 und ein zweiter Bereich 306-2 gegenüber einer Diagnoseelektrode 314 in Bezug auf den elastischen Steg 312 X-achsensymmetrisch ausgebildet und in Bezug auf den elastischen Steg 313 X-achsenasymmetrisch ausgebildet.
Das erste bewegliche Teil 304 ist drehbar, wobei der elastische Steg 312 als Drehachse eingestellt ist, und das zweite bewegliche Teil 306 ist drehbar, wobei der elastische Steg 313 als Drehachse eingesetzt ist. Der Schwerpunkt des ersten beweglichen Teils 304 ist zu einer -X-Seite in Bezug auf den elastischen Steg 312 verlagert, da das zweite bewegliche Teil 306 nur mit dem ersten Bereich 304-1 verbunden ist. Andererseits ist der Schwerpunkt des zweiten beweglichen Teils 306 zu einer +X-Seite in Bezug auf den elastischen Steg 313 verschoben, da der zweite Bereich 306-2 weiter von dem elastischen Steg 313, der die Drehachse darstellt, als der erste Bereich 306-1 entfernt ist.
Daher drehen sich das erste bewegliche Teil 304 und das zweite bewegliche Teil 306, die in 4A und 4B gezeigt sind, in einander entgegengesetzte Richtungen in der Erfassungsrichtung, wenn eine Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung ausgeübt wird. In der Erfassungsrichtung, insbesondere, wenn eine Trägheitskraft in einer +Z-Richtung ausgeübt wird und wenn eine Trägheitskraft in einer -Z-Richtung ausgeübt wird, das erste bewegliche Teil 304 und das zweite bewegliche Teil 306 ebenfalls jeweils in entgegengesetzte Richtungen.
Es wird angenommen, dass eine Selbstdiagnose bei einem solchen MEMS-Element angewendet wird. Wenn beispielsweise eine vorgegebene Spannung an die Diagnoseelektrode 311 angelegt wird, dreht sich der erste Bereich 306-1 des zweiten beweglichen Teils 306, indem es von der Diagnoseelektrode 311 angezogen wird. Das erste bewegliche Teil 304 dreht sich ebenfalls gemäß der Drehung des ersten Bereichs 306-1 (die Drehrichtung ist eine Richtung entgegengesetzt der Richtung des zweiten beweglichen Teils 306). Andererseits ist die Richtung der Drehung des zweiten beweglichen Teils 306 umgekehrt, wenn eine vorgegebene Spannung an die Diagnoseelektrode 314 angelegt wird. Daher ist die Richtung der Drehung des ersten beweglichen Teils 304 ebenfalls umgekehrt. Das heißt, die Richtung der Drehung des ersten beweglichen Teils 304 kann in eine entgegengesetzte Richtung eingestellt werden, wenn eine Spannung an die Diagnoseelektrode 311 und wenn eine Spannung an die Diagnoseelektrode 314 angelegt wird. Daher kann eine Diagnose durch eine der Diagnoseelektroden 311 und 314 erfolgen, wenn eine Trägheitskraft in der +Z-Richtung ausgeübt wird. Eine Diagnose kann durch die andere erfolgen, wenn eine Trägheitskraft in der -Z-Richtung ausgeübt wird.
Wie vorstehend erläutert, beinhaltet der in den 4A und 4B gezeigte Trägheitssensor erste und zweite Diagnoseelektroden, welche die Elektroden sind, die dem zweiten beweglichen Teil 206 entgegengesetzt sind und für eine Diagnose des Trägheitssensors verwendet werden. Die erste Diagnoseelektrode und die zweite Diagnoseelektrode sind in Bezug auf die Drehachse 216 symmetrisch bereitgestellt. Mit einer solchen Eigenschaft ist es möglich, den Trägheitssensor zu diagnostizieren, wenn Trägheitskräfte in der Richtung außerhalb der Ebene ausgeübt werden, insbesondere, wenn eine Trägheitskraft in der +Z-Richtung ausgeübt wird und wenn eine Trägheitskraft in der -Z-Richtung ausgeübt wird. Daher ist es möglich, einen zuverlässigeren Trägheitssensor zu realisieren.
Dritte Ausführungsform
Die Konfiguration eines Trägheitssensors gemäß einer dritten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 5A und 5B erläutert.
5A ist eine Schnittansicht in einer XY-Ebene, die ein bewegliches Teil 404 des MEMS-Elements 1 in dieser Ausführungsform beinhaltet. Bereiche des beweglichen Teils 404 gegenüber Erfassungselektroden 405a und 405b und einer Diagnoseelektrode 411 sind durch punktierte Linien angegeben. 5B ist eine Schnittansicht in einer XZ-Ebene des in 5A gezeigten MEMS-Elements 1 entlang einer Linie A-A'.
In dem in den 5A und 5B gezeigten MEMS-Element 1 bilden drei Siliciumwafersubstrate 401, 402, und 403 einen dreischichtigen Aufbau, der der gleiche wie der dreischichtige Aufbau in der ersten Ausführungsform ist.
Andererseits unterscheidet sich die dritte Ausführungsform von der ersten Ausführungsform darin, dass das MEMS-Element 1 zwei Träger 11 und 22 einschließt. Wie in der ersten Ausführungsform ist der Träger 11 ein Träger mit Trägerabschnitten 408a, 409a und 410a, die das bewegliche Teil 404 tragen. Andererseits ist der Träger 22 ein Träger mit Trägerabschnitten 408b, 409b und 410b und ist ein Träger, der das bewegliche Teil 404 nicht trägt. Der Träger 22 ist ein Träger zum Tragen eines Abschnitts zwischen den Siliciumwafersubstraten 401 und 402 und Abbauen der Verformung eines Hohlraums. Der Träger 22 ist in einer Position vorgesehen, in welcher der Abstand vom Träger 11 zu einem Rahmenkörper 415 und der Abstand vom Träger 11 zum Träger 22 gleich sind.
Das bewegliche Teil 404 ist durch das Siliciumwafersubstrat 403 ausgebildet und über einen elastischen Steg 412 drehbar. Das bewegliche Teil 404 ist so ausgebildet, dass der Abstand vom elastischen Steg 412 zu einem Ende des ersten Bereichs 404-1 und der Abstand vom elastischen Steg 412 zu einem Ende eines zweiten Bereichs 404-2 unterschiedlich sind. Das bewegliche Teil 404 ist in Bezug auf die Linie A-A' Y-achsensymmetrisch ausgebildet. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass das bewegliche Teil 404 so ausgebildet ist, dass es den Träger 22 umgibt, der nicht in Kontakt mit dem beweglichen Teil 404 ist.
Die Erfassungselektroden 405a und 405b sind in Bezug auf eine Drehachse 416 X-achsensymmetrisch ausgebildet. Andererseits ist ein Hohlraum 417 in der X-Achsen-Richtung in Bezug auf die Drehachse 416 asymmetrisch. Dies scheint die Bedingung zu sein, unter welcher die asymmetrische Verzerrung auftritt, die unter Bezugnahme auf 8 erläutert ist. Jedoch wird der Hohlraum 417 gemäß dieser Ausführungsform vom Träger 22 separat getragen. Infolgedessen fungieren ein Bereich von der Drehachse 416 zum Träger 22 und ein Bereich von der Drehachse 416 zum Rahmenkörper 415 als Hohlraum, der in Bezug auf die Drehachse 416 X-achsensymmetrisch ist.
Wie vorstehend erläutert, ist der Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform ein Trägheitssensor, der das bewegliche Teil 404 in dem Hohlraum beinhaltet, der von dem ersten Substrat 401, dem zweiten Substrat 402, das über dem ersten Substrat 401 vorgesehen ist, und einer Seitenwand 418 umgeben ist, wobei der Trägheitssensor den ersten Träger 11 einschließt, der in Kontakt mit dem ersten Substrat 401 und dem zweiten Substrat 402 bereitgestellt ist, um das bewegliche Teil 404 zu tragen, und der zweite Träger 22 in Kontakt mit dem ersten Substrat 401 und dem zweiten Substrat 402 und nicht in Kontakt mit dem beweglichen Teil 404 vorgesehen ist. Das bewegliche Teil 404 ist ein bewegliches Teil, das dazu konfiguriert ist, sich um die Drehachse 416 zu drehen, die durch den ersten Träger 11, wenn eine Trägheitskraft in der Erfassungsrichtung (der Z-Achsen-Richtung) auf den Trägheitssensor ausgeübt wird. Das bewegliche Teil 404 beinhaltet den ersten Bereich 404-1 und den zweiten Bereich 404-2, der in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung des ersten Bereichs 404-1 versetzt ist, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird. Das zweite Substrat 402 beinhaltet die erste Erfassungselektrode 405a gegenüber dem ersten Bereich 404-1 und die zweite Erfassungselektrode 405b gegenüber dem zweiten Bereich 404-2. Die erste Erfassungselektrode 405a und die zweite Erfassungselektrode 405b sind in Bezug auf die Drehachse 416 symmetrisch bereitgestellt. In der Richtung (der X-Achsen-Richtung) senkrecht zur Erfassungsrichtung und einer Richtung, in welcher die Drehachse verläuft, sind die Länge L1 von der Drehachse 416 zum Ende des ersten Bereichs 404-1 und die Länge L2 von der Drehachse 416 zum Ende des zweiten Bereichs 404-2 unterschiedlich.
Mit einer solchen Eigenschaft kann der Trägheitssensor gemäß dieser Ausführungsform den Einfluss der Verformung des Hohlraums reduzieren. Ferner muss, anders als bei der ersten Ausführungsform, der Trägerabschnitt (der Träger 11) des beweglichen Teils 404 nicht in der Mitte des Hohlraums eingesetzt sein. Daher ist der Freiheitsgrad der Anordnung des beweglichen Teils höher und eine Größenverkleinerung lässt sich leichter bewältigen.
Merkmale, Bestandteile und spezifische Einzelheiten der Aufbauten der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert sind. Sofern jene Modifikationen für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind, sollen sie von der vorstehenden Beschreibung impliziert offenbart sein, ohne dass jede mögliche Kombination explizit spezifiziert wird.

Claims

Trägheitssensor, der ein bewegliches Teil (104) in einem Hohlraum (117, 217) einschließt, der von einem ersten Substrat (101, 201), einem zweiten Substrat (102, 202), das auf dem ersten Substrat (101, 201) vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist, wobei der Trägheitssensor (1) einen Träger (109, 209) umfasst, der in Kontakt mit dem ersten Substrat (101, 201) und dem zweiten Substrat (102, 202) vorgesehen ist, um das bewegliche Teil (104) zu tragen, wobei das bewegliche Teil (104) ein bewegliches Teil (104) ist, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse (116, 216) zu drehen, die durch den Träger (109, 209) verläuft, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor (1) ausgeübt wird, wobei das bewegliche Teil (104) einen ersten Bereich (104-1, 204-1) und einen zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs (104-1, 204-1) versetzt wird, wenn eine Trägheitskraft in Richtung der Erfassungsrichtung des Trägheitssensors ausgeübt wird, das zweite Substrat (102, 202) eine erste Erfassungselektrode (105a, 205a) gegenüber dem ersten Bereich (104-1, 204-1) und eine zweite Erfassungselektrode (105b, 205b) gegenüber dem zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt, die erste Erfassungselektrode (105a, 205a) und die zweite Erfassungselektrode (105b, 205b) in Bezug auf die Drehachse (116, 216) symmetrisch bereitgestellt sind, der Hohlraum (117, 217) in Bezug auf die Drehachse (116, 216) symmetrisch bereitgestellt ist, und eine Länge (L1) von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des ersten Bereichs (104-1, 204-1) und eine Länge (L2) von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des zweiten Bereichs (104-2, 204-2) in einer Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung und senkrecht zur Drehachse (116, 216) unterschiedlich sind.
Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei die Länge (L2) von der Drehachse (116, 216) zum Ende des zweiten Bereichs (104-2, 204-2) größer als die Länge (L1) von der Drehachse (116, 216) zum Ende des ersten Bereichs (104-1, 204-1) ist, und das zweite Substrat (102, 202) ferner eine Diagnoseelektrode (111) einschließt, die dem zweiten Bereich (104-2, 204-2) gegenüberliegt und während einer Diagnose des Trägheitssensors (1) eingesetzt wird.
Trägheitssensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Formharzgehäuse, das in Kontakt mit dem zweiten Substrat (102, 202) eingestellt ist.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Substrat (101, 201), das zweite Substrat (102, 202) und das bewegliche Teil (104) aus Silicium ausgebildet sind.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trägheitskraft Beschleunigung in der Erfassungsrichtung ist.
Trägheitssensor, der ein bewegliches Teil (104) in einem Hohlraum (117, 217) einschließt, der von einem ersten Substrat (101, 201), einem zweiten Substrat (102, 202), das über dem ersten Substrat (101, 201) vorgesehen ist, und einer Seitenwand umgeben ist, wobei der Trägheitssensor (1) umfasst: einen ersten Träger, der im Kontakt mit dem ersten Substrat (101, 201) und dem zweiten Substrat (102, 202) vorgesehen ist, um das bewegliche Teil (104) zu tragen; und einen zweiten Träger, der im Kontakt mit dem ersten Substrat (101, 201) und dem zweiten Substrat (102, 202) und nicht im Kontakt mit dem beweglichen Teil (104) vorgesehen ist, wobei das bewegliche Teil (104) ein bewegliches Teil (104) ist, das dazu konfiguriert ist, sich um eine Drehachse (116, 216) zu drehen, die durch den ersten Träger hindurchgeht, wenn eine Trägheitskraft in einer Erfassungsrichtung auf den Trägheitssensor (1) ausgeübt wird, wobei das bewegliche Teil (104) einen ersten Bereich (104-1, 204-1) und einen zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt, der in einer Richtung entgegengesetzt einer Richtung des ersten Bereichs (104-1, 204-1) versetzt wird, wenn die Trägheitskraft ausgeübt wird, das zweite Substrat (102, 202) eine erste Erfassungselektrode entgegengesetzt dem ersten Bereich (104-1, 204-1) und eine zweite Erfassungselektrode entgegengesetzt dem zweiten Bereich (104-2, 204-2) einschließt, die erste Erfassungselektrode und die zweite Erfassungselektrode in Bezug auf die Drehachse (116, 216) symmetrisch bereitgestellt sind, und eine Länge von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des ersten Bereichs (104-1, 204-1) und eine Länge von der Drehachse (116, 216) zu einem Ende des zweiten Bereichs (104-2, 204-2) in einer Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung und senkrecht zur und Drehachse (116, 216) unterschiedlich sind, wobei der Hohlraum (117, 217) in Bezug auf die Drehachse (116, 216) asymmetrisch vorgesehen ist.
Trägheitssensor nach Anspruch 6, wobei die Trägheitskraft Beschleunigung in der Erfassungsrichtung ist.