JP2001516887A

JP2001516887A - センサ素子

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Publication number: JP2001516887A
Application number: JP2000512095A
Authority: JP
Inventors: シェフターラーマルティン; シェリンラルフ; マイヘーファーベルント; レルマーフランツ; ルッツマルクス; エンマーリッヒハーラルト; カイエンブルクイェルク
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2001-10-02
Also published as: DE19881346D2; US6462566B1; WO1999014613A1; DE19740049A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、とりわけ回転角度を検出するためのセンサ素子に関し、このセンサ素子は測定すべきパラメータの変化に依存してその位置を変化する検出手段を有し、この検出手段の位置変化は、この検出手段によって影響を受ける、評価可能なセンサ素子の信号の変化をもたらし、検出手段（１４）は電流Ｉによって導通される少なくとも１つの導体ループを有し、この導体ループは外部磁界（Ｂ）に曝されている。磁界（Ｂ）の平面におけるセンサ素子（１０）の回転角度（α）の回転運動を磁界（Ｂ）に対して垂直方向の検出手段（１４）の変位（θ）に変換するように、この検出手段（１４）は回転運動可能に支承されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、とりわけ回転角度を検出するためのセンサ素子に関し、このセンサ
素子は測定すべきパラメータの変化に依存してその位置を変化する検出手段を有
し、この検出手段の位置変化は、この検出手段によって影響を受ける、センサ素
子の評価可能な信号の変化をもたらす。

【０００２】従来技術上記のタイプのセンサ素子は公知である。例えば微細加工技術からポテンショ
メータとして作動する又は光学的に作動する精密センサ素子が周知である。前者
の場合、このセンサ素子を有する部材の回転運動のために抵抗変化が引き起こさ
れ、この抵抗変化が評価可能な電気信号の変化をもたらす。光学的に作動するセ
ンサ素子の場合、光信号が回転状態に影響を受け、この結果この光信号が例えば
光電セルを介して評価可能な信号を発生する。さらに、ホールセンサが周知であ
り、このホールセンサでは、電流フローが均一な磁界に対して垂直方向に流れる
電流導通導体において、この電流フロー及びこの磁界に対して垂直方向の電圧差
が取り出される。これら周知のセンサ素子において不利な点は、これらのセンサ
素子が比較的複雑な構造を有し、従ってこれらのセンサ素子のサイズの低減が限
定的にしか実施し得ない点である。

【０００３】本発明の利点請求項１の特徴部分記載の構成を有する本発明のセンサ素子は、簡単に構成さ
れており、さらに回転角度変化を大きな感度で検出できるという利点を有する。
検出手段が電流によって導通された少なくとも１つの導体ループを有し、この導
体ループが外部の、有利には均一な又は優先方向を有する磁界に曝されており、
磁界の平面におけるこの検出手段の回転角度の回転運動を磁界に対して垂直方向
のこの検出手段の変位に変換するように、この検出手段が回転運動可能に支承さ
れていることによって、回転角度を力に変換することが実現され、この力が回転
角度の程度として評価される。よって、簡単なやり方で回転角度の無接触式測定
が実現される。とりわけセンサ素子が表面マイクロメカニクスの手段によって例
えば集積回路を有するウェハ上に製造される場合、大量生産に適したやり方で高
精密センサ素子が生産される。この高精密センサ素子は外形が小さく軽い。従っ
て、これらのセンサ素子は敏感な部材にも配置することができ、この部材の回転
角度変化を検出すべきである。

【０００４】センサ素子は回転角度変化の識別に適しているだけでなく、非常に長い期間変
わらないままでよい回転角度の検出にも適している。

【０００５】本発明の有利な実施形態では、センサ素子は２つの検出手段を有し、これら２
つの検出手段は互いに９０°だけ回転されて配置されている。これによって、有
利には３６０°に亘る回転角度の完全な検出が可能となる。同時に、このセンサ
が機械的なストッパ又は類似のストッパに当たることなしに、過剰回転、つまり
３６０°の角度の複数回の回転も可能である。

【０００６】本発明の他の有利な実施形態では、検出手段はねじれ構造体であり、このねじ
れ構造体は固定軸を中心にしてねじれることができる。従って、外部回転角度又
は外部回転角度変化は内部ねじれ角度乃至は内部ねじれ角度変化に変換される。
この内部ねじれ角度乃至は内部ねじれ角度変化は、ねじれ角度の変化がキャパシ
タンスによって影響を受ける電気信号の変化を引き起こすことによって、有利に
は差キャパシタンス測定を用いて検出される。

【０００７】本発明の他の有利な実施形態は他の従属請求項記載の構成から得られる。

【０００８】図面本発明を実施例において所属の図面に基づいて次に詳しく説明する。図１は第
１の変形実施形態におけるセンサ素子の俯瞰図である。図２は図１のセンサ素子
の概略的な斜視図である。図３から図５はこのセンサ素子の作動方法の概略図で
ある。図６は第２の変形実施形態におけるセンサ素子の俯瞰図である。図７及び
８はこのセンサ素子の他の実施形態である。図９から図１１はこれらのセンサの
製造を示す。図１２から図１３はこのセンサの様々な変形実施形態の断面図であ
る。

【０００９】実施例の記述図１にはセンサ素子１０の平面図が示されている。センサ素子１０は表面マイ
クロメカニクスの方法ステップによってここには図示されていないウェハの表面
に構造化されている。このウェハは同時にセンサ素子１０によって供給される信
号を評価するための電気回路を有することができる。これらの評価回路について
はこの記述の枠内では詳しく説明しない。

【００１０】センサ素子１０の材料としてはシリコンが利用される。このシリコンにおいて
は相応のドーピングによってセンサ素子１０の導電性が実現される。

【００１１】センサ素子１０はフレーム１２を有し、平面図において見ると、このフレーム
１２は検出手段１４を取り囲んでいる。このフレームは２つの部分から構成され
ており、この結果、図１に示されている平面図において見ると、左側のフレーム
半分１６と右側のレーム半分１８とが生じる。フレーム半分１６は接点２０に接
続され、フレーム１８は接点２２に接続れている。フレーム半分１６及び１８は
比較的に大きな幅を有する区間２４を有し、従って、フレーム半分１６及び１８
の他の構成部分よりも大きな断面を有する。この結果、これによって全フレーム
半分１６乃至は１８の電気抵抗の低減が可能であり、さらにフレーム１２の確実
な固定が保障されている。

【００１２】検出手段１４は基本的に平坦な小プレートから構成されている。この小プレー
トの具体的な構成は後でさらに説明する。この検出手段１４はねじれバー２６及
び２８を用いてフレーム半分１６及び１８に固定されずにサスペンドされている
。つまり、この検出手段１４はセンサ素子１０のウェハとの接触接点を持たない
。ねじれ軸４２の両側の部分質量の分布は対称的に構成されており、この結果、
どのような力も作用しない場合には、検出手段１４はその全面積に亘ってこの検
出手段１４の下にあるセンサ素子１０のウェハに対して同じ大きさの間隔を有す
る。ねじれバー２６及び２８は、平面図で見たこのねじれバー２６及び２８の幅
に比べて、図１では紙面に垂直にのぞき見ると、相対的に大きな深さを有する。
ねじれバー２６及び２８の深さに対する幅のこの比率によって、検出手段１４は
この紙面において見るとフレーム半分１６と１８との間で自由に揺動する揺動体
としてサスペンドされることが実現される。同時に検出手段１４は重力及びｚ軸
に対してパラレルな加速度に対しては安定している。

【００１３】検出手段１４はねじれバー２６及び２８を経過しているそのねじれ軸４２の両
側に対称的に構成されたフィンガ構造体（finger structure）３０乃至は３２を
有する。これらのフィンガ構造体３０及び３２は次のように構成されている。す
なわち、想定された分離ライン３４に沿って、この検出手段の平面図において左
側の半分３６のフィンガとこの検出手段の右側の部分３８のフィンガとが交互に
オーバーラップするように構成されている。分離ライン３４は検出手段１４の全
長に亘って延在しているのはなく、図１の下方に見える通り抜けバー４０を残し
ておく。このバー４０はねじれバー２６及び２８を貫いているねじれ軸４２に対
してパラレルに延在しており、揺動体部分４４乃至は４６を介して機械的に又は
電気的にねじれバー２６及び２８に結合されている。

【００１４】センサ素子１０の他の実施例を図６が示している。図１と同一の部材は同一の
参照符号を付け、もう一度説明しない。図６に示されたセンサ素子１０は図１の
センサ素子１０とは次のことによって異なる。すなわち、検出手段１４のサスペ
ンドが、フレーム１２を介する代わりに、内側に向けられたねじれバー２６及び
２８を介して行われるということによって異なる。これらのねじれバー２６及び
２８は固定点にリンクされており、これらの固定点は同時に電気的接点２０及び
２２の形成のために使用される。他の構造は図１で説明したセンサ素子１０に相
応する。図１の乃至は図６のセンサ素子１０の両方の変形実施形態の機能は同一
であり、よって、この機能は後で実施例に基づいてのみ説明する。内側に向けら
れたねじれバー２６及び２８を介する検出手段１４のサスペンドによって、とり
わけこのセンサ素子１０の内部の材料固有の圧縮負荷の補償が、後で説明される
機能の損害なしに得られる。さらに、センサ素子１０の電気抵抗の低減が可能で
ある。

【００１５】図１に示された実施例に加えて、突出部５２が検出手段１４から突き出してい
る。これらの突出部５２はねじれ軸４２に対して対称的に構成されている。これ
らの突出部５２は図７及び８により説明する利点を提供する。

【００１６】図２には概略的な斜視図にセンサ素子１０が示されている。図１と同一の部材
は同一の参照符号を付け、もう一度説明しない。この斜視図によってこのセンサ
素子１０の作動方法が明瞭にされる。機能は図６のセンサ素子１０にも同様に当
てはまる。

【００１７】接点２０及び２２はここには図示されていない回路装置に結合されており、こ
の結果、接点２０と接点２２との間には電流Ｉが流れている。このセンサ素子１
０の、とりわけ検出手段１４の構成によって、電流Ｉは、図２の矢印で示されて
いるように、フレーム半分１６、ねじれバー２６、揺動体部分４６、バー４０、
揺動体部分４４、ねじれバー２８及びフレーム半分１８を介して接点２０と２２
との間を流れる。分離ライン３４、ねじれバー２６及び２８ならびにフレーム半
分１６及び１８の構成によってこの経路が電流Ｉに予め与えられる。このセンサ
素子１０には同時に一定の均一な磁界Ｂが印加されている。この磁界Ｂは理想的
には単一方向と仮定する。磁界Ｂの印加は、例えばセンサ素子１０に割り当てら
れた永久磁石、接続切り換え可能な電磁石によって又は他の適当なやり方で行わ
れる。

【００１８】普遍的に周知な物理的な関係によれば、磁界において運動する電荷には力が、
いわゆるローレンツ力ＦＬが作用する。図２に示された例においては、ｘ方向に
流れる電流Ｉにはｙ方向に作用する磁界Ｂが印加される。この結果、ｚ方向に作
用するローレンツ力ＦＬが作用する。この場合、次の関係式が成り立つ。

【００１９】

【数１】

【００２０】ただしここで l はバー４０の長さであり、Ｉはこのバー４０を流れる電流、Ｂはバー４０に作用する磁界、αは後で説明する回転角度である。

【００２１】この関係式に基づいて検出手段１４はこの検出手段１４のねじれ軸４２を中心
にして変位を受ける。この結果、この検出手段１４はこの検出手段１４の下のウ
ェハの表面に対して角度θだけの変位を受ける。これにより、フレーム１２にお
けるねじれバー２６及び２８を介する検出手段１４のシーソー状のサスペンドに
よって、一方ではウェハの表面への検出手段１４の接近が起こり、他方ではウェ
ハの表面からの検出手段１４の遠ざかりが起こる。

【００２２】この検出手段１４の変位の程度、すなわち角度θの大きさはローレンツ力ＦＬ
によって決定される。このローレンツ力ＦＬはバー４０に沿って生じる。同様に
揺動体部分４６乃至は４４において生じるローレンツ力は互いに相殺される。と
いうのも、揺動体部分４６と４４とを貫く電流Ｉの方向はちょうど正反対である
からである。

【００２３】上記の関係式に基づいて、電流Ｉの大きさ、磁界Ｂの大きさ及び回転角度αに
よってローレンツ力ＦＬの大きさが決定されるのは明瞭となる。電流Ｉ及び次解
Ｂは一定の大きさを有するので、ローレンツ力ＦＬは専ら回転角度αの変化に基
づいて変動する。

【００２４】このために、図３において概略的にセンサ素子１０が示されており、このセン
サ素子１０はｚ軸のまわりに角度範囲αにおいて回転可能である。このセンサ素
子１０とともに同時に検出手段１４、すなわちバー４０も回転されるので、回転
角度αの変化によってローレンツ力ＦＬは sin(α) に比例して変化する。この回転角度αは、センサ素子１０の回転によって、磁界Ｂに対する電流Ｉのフロー
方向の変化に伝えられる。従ってこの回転角度αの変化に比例するバー４０の回
転は、 sin(α) に比例するローレンツ力ＦＬの比例変化をもたらす。ローレンツ力ＦＬの変化に相応して、検出手段１４はねじれ軸４２を中心とする変位の変
化を角度θだけ受ける。

【００２５】回転角度αの変化の尺度としての角度θの変化は、図４及び５に図示されたセ
ンサ素子１０の実施形態に基づいて検出される。検出手段１４の下にはそれぞれ
電極４８及び５０が配置されている。これらの電極４８及び５０は例えば埋め込
まれたポリシリコンから構成されうる。これらの電極４８及び５０はフィンガ構
造体３０乃至は３２に対する対向電極を形成する。このため、フィンガ構造体３
２と電極４８との間にはキャパシタンスＣ２が生じ、フィンガ構造体３０と電極
５０との間にはキャパシタンスＣ１が生じる。これらのキャしタンスＣ１及びＣ
２の大きさは一方ではフィンガ構造体３０乃至は３２と電極５０乃至は４８との
間隔によって及びこれらの電極の面積によって決定される。分離ライン３４に沿
ったフィンガ構造体３０乃至は３２の構成によって、バー４０を介する電流Ｉの
経路の設定に必要な分離ライン３４の構成の実施形態にもかかわらず、比較的均
等な面積Ａが生じる。平面図においては非対称的な分離ライン３４の配置は、フ
ィンガ構造体３０乃至は３２の個々のフィンガの間の異なる電位差に基づく静電
引力の差異を相殺するのに使用される。なぜなら、相反的な面積比（Reziproke
Flaechenverhaeltnis）がこの静電引力に関与するからである。

【００２６】図４には静止状態におけるセンサ素子１０が示されている。すなわち、電流Ｉ
が流れていない。これによって印加される磁界Ｂによるローレンツ力ＦＬの発生
は起こらない。従って、検出手段１４はそのバランス状態にあり、この結果、電
極４８とフィンガ構造体３２との間の間隔ｄ及び電極５０とフィンガ構造体３０
との間の間隔ｄは同じ大きさである。従って、キャパシタンスＣ２及びＣ２は同
様に同じ大きさであり、次式が成り立つ。

【００２７】

【数２】

【００２８】ただしここでε_rは比誘電率である。

【００２９】電流Ｉ（図２）がバー４０を流れ、ローレンツ力ＦＬが作用する場合、検出手
段１４はそのバランス状態から逸脱する。このローレンツ力ＦＬの大きさに相応
して、角度θの変位が生じる。従って、キャパシタンスＣ２とＣ１との間の差が
生じる。というのも、一方で電極４８とフィンガ構造体３４との間の間隔ｄが増
大し、他方で電極５０とフィンガ構造体３０との間の間隔ｄが減少するからであ
る。この生じた差キャパシタンスはセンサ素子１０の既知の設計仕様、既知の電
流強度Ｉ及び既知の磁界Ｂに基づいてローレンツ力ＦＬに依存する信号である。

【００３０】回転角度αが変化すると、既に説明したローレンツ力ＦＬの変化が生じ、これ
により角度θの変化が生じる。この角度θの変化によってキャパシタンスＣ２と
Ｃ１との間の新しい差キャパシタンスが発生する。この新しい差キャパシタンス
は評価回路を用いて測定できる。従って、発生した差キャパシタンス乃至は差キ
ャパシタンスの変化は回転角度α乃至はこの回転角度αの変化に依存する。

【００３１】従って、全体として、簡単に構成され、さらに回転角度αの外部的変化が非常
に高い感度で角度θの内部的変化に変換される、センサ素子１０が提供される。
。つまり、回転角度αの極めて小さい変化ですら確実に検出されうる。

【００３２】これまでの記述は一定の磁界乃至は一定の電流フローを前提としており、この
結果、回転角度は唯一変化するパラメータであった。しかし、測定精度を向上す
るために、ダイナミックな測定に移行することも可能である。このダイナミック
な測定では、電流フローか又は磁界かのいずれかが変化される。固定された質量
を有するねじれバー２６、２８は振動可能な構造物であり、この振動可能な構造
物は機械的な固有振動を有する。もしローレンツ力ＦＬがねじれバネ及びこれに
固定された質量から成る系の機械的な固有振動に近い振動数で変動するならば、
この機械的構造物は非常に大きな変位へと、つまり、軸４２を中心とする非常に
大きな回転振動へと励振される。ここでは回転角度αが測定されるべきなので、
ローレンツ力のこのような時間的変動は磁界Ｂの制御又は電流Ｉの制御によって
実現される。この場合、この検出手段は大きな振幅を有する振動を行い、この振
動はとりわけ簡単にかつ良好に検出されうる。既に小さい回転角度αの変動でも
これらの振動の大きな変化を惹起する。この結果、極めて大きな感度向上が達成
される。これは、とりわけセンサ素子がケーシングの中に配置されている場合に
当てはまる。このケーシングにおいては、内部圧力が低減されており、この結果
、このセンサ素子の振動の減衰は僅かである。

【００３３】しかし、このセンサ素子のダイナミックな励振によって各センサ素子の検出可
能な角度範囲は９０°に制限される。高い精度を有する完全な３６０°測定を行
うためには、４個のセンサ素子が必要である。これた４個のセンサ素子のうちの
２個のセンサ素子はほぼスタティックに動作され、これにより３６０°測定が可
能になる。高い角度分解能はこの場合他の２個のダイナミックに動作されるセン
サによって達成される。

【００３４】図７及び８に基づいて、突出部５２の機能を明瞭にする。これらの突出部５２
は検出手段１４と一体に構成されており、この検出手段１４と共にねじれ軸４２
を中心にしてねじれることができる。例えばねじれ軸４２のまわりの回転加速度
によって検出手段１４の非常に大きな変位が発生する場合、電極対３０と５０と
の間の乃至は３２と４８との間の直接的な電気的接触、つまり短絡が発生するこ
とがこれらの突出部５２を介して阻止される。図８で破線で示された検出手段１
４の強い変位によって、電極対３０と５０との間の直接的な接触が発生する前に
、突出部５２がストッパ５４に当たり、従って、この突出部５２はこの検出手段
の最大変位を制限することが明瞭である。よって、これらの突出部５２はセンサ
素子１０の機械的な過負荷保護として使用される。ストッパ５４は例えば電極４
８乃至は５０と同一の材料から成り、これらの電極と同一の高さに設けられてい
る。しかし、電極４８と５０乃至は５４との間の導電性接続は形成されていない
。

【００３５】センサ素子１０の構成によってこのセンサ素子１０は可動システム、例えば自
動車においても使用できる。というのも、作用する加速力は回転角度αの変化を
検出する信号に影響を与えないからである。ｚ方向の加速度は検出手段１４の全
体に対して均一に作用し、このためこの加速度はねじれ軸４２を中心とする変位
を惹起しない。ｘ方向乃至はｙ方向に作用する加速力も同様に信号品質劣化をも
たらさない。というのも、このような加速力の作用によって電極４８乃至は５０
とくし形構造体３２乃至は３０との間の間隔ｄの変化は起こらないからである。
場合によっては、この場合に検出手段１２のほんの少しのパラレルシフトによっ
て発生する横方向感度が無視される。回転加速度の回転軸がねじれ軸と一致する
か又はこのねじれ軸に対してパラレルな少なくとも１つの成分を有するような回
転加速度に対する感度を排除することは検出手段１４の相応の制御によってもた
らされる。

【００３６】全体としては、センサ素子１０の個々の構成部材の設計仕様のヴァリエーショ
ンによって様々な感度が達成される。よって、例えばねじれバー２６及び２８の
長さ、幅又は厚さを変更することは、同一の大きさのローレンツ力ＦＬにおける
角度θに関する変位特性の変化をもたらす。同一のことは検出手段１４の設計仕
様、電流Ｉの電流強度の乃至は磁界Ｂの増大乃至は低減に対しても当てはまる。
フレーム１２の変化はセンサ素子１０の感度に対する直接的な作用を与えないが
、このセンサ素子１０の安定性には影響を与えうる。とりわけ、フレーム半分１
６乃至は１８の意図的な部分カッティングによって、ねじれバー２６乃至は２８
を介してフレーム１２に作用する圧縮応力の補償の増大乃至は低減が制御される
。

【００３７】ここには図示されていないさらに別の実施例によれば、センサ素子１０は全部
で２個の検出手段１４を有し、これらの２個の検出手段１４は正確に９０°だけ
互いに回転されて配置されている。これによって回転角度αの変化が１８０°の
値を越えて検出されうる。その都度一定のままの磁界Ｂに対する、個々の検出手
段において変化する電流フローＩの方向に相応して、その都度角度θの、個々の
検出手段１４の異なる変位が生じる。これらの異なる変位は差キャパシタンスの
測定を介して正確に検出可能であり、回転角度αの相応の変化に対応させること
ができる。センサ素子１０を有する部材の３６０°を越える過剰回転も確実に検
出できる。つまり、このセンサは機械的なストッパ又は類似のストッパに当たる
ことなく、３６０°の角度の複数回の回転が可能である。

【００３８】回転角度α乃至は回転角度αの変化の検出の他に、センサ素子１０は逆の作動
方法で磁界Ｂの検出に使用される。角度α及び電流Ｉの電流強度が既知の場合に
、ローレンツ力ＦＬに対する前述の関係式を反転して、磁界Ｂを逆に推定するこ
とができる。磁界Ｂによってこの場合に喚起されるローレンツ力ＦＬの変化乃至
はローレンツ力ＦＬの発生は、同様にキャパシタンスＣ２とＣ１との間の差キャ
パシタンスをもたらす。

【００３９】次の図９から１１までにより、これらのセンサの製造方法が詳しく説明される
。図９には基板２００が示されており、この基板２００の上に犠牲層２０１が被
着されている。この犠牲層には切欠部１００及び１０２が設けられており、これ
らの切欠部１００及び１０２において基板２００が露出している。これらの切欠
部１００及び１０２の内部において、この方法の次の段階で基板２００に直接セ
ンサ素子の固定が行われる。基板２００には、シリコンウェハ、セラミックプレ
ート等々のような通常使用されるあらゆる基板材料が適している。表面絶縁層が
設けられた金属プレートも使用できる。重要なことは、この場合、基板プレート
２００の最上部層は基本的に絶縁特性を有することだけである。犠牲層２０１に
は、このセンサ素子の構成材料である他の材料に対して選択的に除去されるあら
ゆる材料が使用できる。この除去は、通常はエッチング、例えばエッチング液又
はガス状のエッチング媒体によって行われる。

【００４０】次のステップではセンサ構造が基板プレート２００及び犠牲層２０１に被着さ
れる。この場合には様々な方法が考えられる。まず最初にセンサ構造のための材
料による全面積層化が行われ、このセンサ構造は、通常の構造化方法によって、
例えばマスクによる遮蔽及び遮蔽されていない領域のエッチングによって構造化
される。代わりに、厚い層を塗布し、この厚い層に開口部を設け、この開口部が
犠牲層２０１まで乃至は切欠部１００及び１０２の領域において基板プレート２
００まで到達させることも可能である。この場合、これらの切欠部は製造すべき
センサ構造のための型枠である。というのも、この型枠は次いで例えばガルバニ
ックプロセスを用いて金属等々で充填され、次いで厚い型枠層が除去されるから
である。図１０にはこれら両方の異なる製造方法の結果が図示されている。図１
０は断面図において図５に図示されているようなセンサの製造の際の方法ステッ
プを示す。図１０の断面図は図６に図示されている回転軸４２に沿った断面図に
相応する。切欠部１００及び１０２の領域には接点２０及び２２が製造された。
これらの接点２０及び２２は基板２００に固定的に接合されている。これらの接
点２０、２２にはねじれバー２６、２８が接合されている。しかし、これらのね
じれバーは決して基板２００への直接的な接触を持たず、完全に犠牲層２０１の
上に載置されている。これらのねじれバー２６、２８には検出手段の左側面３６
及び右側面３８が固定されている。検出手段のこれらの左側面３６及び右側面３
８も完全に犠牲層２０１の上に載置されており、決して基板２００への直接的な
接触を持たない。犠牲層２０１のエッチングによって図１１に図示されているよ
うな構造が作られる。図１１の図面は軸４２に沿った図６のセンサ素子の断面図
に相応する。これらの接点２０、２２は直接基板２００に接合されている。これ
らの接点２０、２２にはねじれバー２６、２８が固定され、これらのねじれバー
には検出手段の左側面３６及び右側面３８が固定されている。図１１の断面図か
ら容易に読み取れるように、接点２０、２２によって基板２００への固定が保障
されており、他方でねじれバー２６、２８及び評価手段の左側面及び右側面３６
、３８は基板２００に対して自由に可動できる。

【００４１】図９から１１までの方法ステップはいわゆる表面マイクロメカニクスの通常の
方法を示している。この方法によって多数のセンサが１つの基板上に同時に製造
されると有利である。ここでは検出素子はプレート状の素子として構成されてい
る。この素子はソケット又はプラットフォームとして構成されている接点２０、
２２によって基板に対して僅少な間隔をもって保持される。プレート状の評価手
段はねじれバー２６、２８におけるサスペンドによって揺動体構造を形成する。
この揺動体構造において、作用する力によってこの揺動体の各々の側面の基板に
対する相対的な間隔が変化する。本明細書の場合には、これらの力はローレンツ
力、つまり、電流の導通した導体と磁界との間に作用する力によって形成される
。このローレンツ力を発生するために、プレート状評価素子は相応の分離ライン
によって分割され、２つの接点の間の電位差により限定された導体ループが形成
される。この場合、この導体ループを貫いて電流が流れる。この評価手段の変位
は例えば基板上に被着された電極によって検出される。これらの電極はこの評価
手段の各々の側面とともにプレートコンデンサを形成する。

【００４２】これまでは、記述において概念「分離ライン」だけを使用した。しかし、一般
的にはプレート状評価素子を導通領域と非導通領域に分離する分離手段ならばど
んな分離手段でも適している。図１２から１４までによって分離構造のための異
なる方法が説明される。それぞれ図６のラインＸ―Ｘに相応して検出手段の側面
３６及び３８を貫く断面図が示されている。プレート状検出手段３６、３８が半
導体材料、有利にはシリコンから形成されている場合、分離構造は僅少なドーピ
ング３０１の領域によって形成される（図１２）。プレート状検出手段が良導電
性の表面層３１０を有する、有利には金属を有する低導電性の材料から形成され
ている場合、分離構造は層３１０のない領域３０２によって形成される（図１３
）。プレート状検出手段が良導電性の材料、有利にはドープされたシリコン又は
金属から形成されている場合、分離構造は空隙３０３として構成されている分離
ラインによって形成される（図１４）。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の変形実施形態におけるセンサ素子の俯瞰図である。

【図２】図１のセンサ素子の概略的な斜視図である。

【図３】センサ素子の作動方法の概略図である。

【図４】センサ素子の作動方法の概略図である。

【図５】センサ素子の作動方法の概略図である。

【図６】第２の変形実施形態におけるセンサ素子の俯瞰図である。

【図７】センサ素子の他の実施形態である。

【図８】センサ素子の他の実施形態である。

【図９】センサの製造を示す。

【図１０】センサの製造を示す。

【図１１】センサの製造を示す。

【図１２】センサの様々な変形実施形態の断面図である。

【図１３】センサの様々な変形実施形態の断面図である。

【図１４】センサの様々な変形実施形態の断面図である。

【符号の説明】

１０センサ素子１２フレーム１４検出手段１６フレーム半分１８フレーム半分２０接点２２接点２４大きな幅を有する区間２６ねじれバー２８ねじれバー３０フィンガ構造体３２フィンガ構造体３４分離ライン４０バー４２ねじれ軸４４揺動体部分４６揺動体部分４８電極５０電極５２突出部１００切欠部１０２切欠部２００基板プレート２０１犠牲層３０３空隙３１０良導電性表面層

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年３月１３日（２０００．３．１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】これまでは、記述において概念「分離ライン」だけを使用した。しかし、一般
的にはプレート状評価素子を導通領域と非導通領域に分離する分離手段ならばど
んな分離手段でも適している。図１２から１４までによって分離構造のための異
なる方法が説明される。それぞれ図６のラインＸ―Ｘに相応して検出手段の側面
３６及び３８を貫く断面図が示されている。プレート状検出手段３６、３８が半
導体材料、有利にはシリコンから形成されている場合、分離構造は僅少なドーピ
ング３０１の領域によって形成される（図１２）。プレート状検出手段が良導電
性の材料、有利にはドープされたシリコン又は金属から形成されている場合、分
離構造は空隙３０３として構成されている分離ラインによって形成される（図１
３）。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】削除

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラルフシェリンドイツ連邦共和国ロイトリンゲンデュレンベルクシュトラーセ２ (72)発明者ベルントマイヘーファーアメリカ合衆国サウスキャロライナアンダーソンピーオーボックス 2867 (72)発明者フランツレルマードイツ連邦共和国シユツツトガルトヴィティコヴェーク９ (72)発明者マルクスルッツドイツ連邦共和国ロイトリンゲンフィツィオンシュトラーセ 23 (72)発明者ハーラルトエンマーリッヒドイツ連邦共和国ロイトリンゲンドレスナープラッツ５／３．１ (72)発明者イェルクカイエンブルクドイツ連邦共和国ロイトリンゲンイムフェルゲンベヒレ６Ｆターム(参考） 2F063 AA35 BA11 CA34 DA01 DA04 DB07 DD02 DD05 GA01 HA01 HA09 HA10 HA16 2G017 AA01 AC05 AC06 AD10 AD53

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を有し、さらに該基板の上に配置されたプレート状の検
出手段（１４）を有するセンサ素子において、前記プレート状の検出手段（１４）は少なくとも２つのねじれバー（２６、２
８）によってサスペンドされており、前記プレート状の検出手段（１４）は少なくとも１つの分離構造によって分割
されており、前記ねじれバー（２６、２８）間に電位差を印加すると電流によっ
て導通された導体ループが前記検出手段に形成され、次いで磁界を印加すると前
記導体ループに作用するローレンツ力が前記ねじれバーのねじれを惹起しうるよ
うに、前記プレート状の検出手段（１４）は少なくとも１つの分離構造によって
分割されている、基板を有し、さらに該基板の上に配置されたプレート状の検出
手段（１４）を有するセンサ素子。
【請求項２】プレート状検出手段は良導電性の材料、有利にはドープされ
たシリコン又は金属から構成されており、分離構造は空隙として構成される分離
ラインによって形成されることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】プレート状検出手段は半導体材料、有利にはシリコンから構
成されており、分離構造は僅少なドーピングを有する領域によって形成されるこ
とを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項４】プレート状検出手段は良導電性の表面層を有する小さい導電
性の材料、有利には金属から構成されており、分離構造は層のない領域によって
形成されることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項５】検出手段（１４）はねじれ軸（４２）に対して対称的に構成
されており、導体ループを形成するバー（４０）を前記ねじれ軸（４２）に対し
てパラレルに有していることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項６】検出手段（１４）はねじれバー（２６、２８）を介してフレ
ーム（１２）にサスペンドされており、該フレーム（１２）は基板（２００）に
固定されていることを特徴とする請求項１から５のうちの１項記載のセンサ素子
。
【請求項７】検出手段（１４）はねじれバー（２６、２８）を介して内部
に設けられたソケット状の接点で基板（２００）にサスペンドされていることを
特徴とする請求項１から５のうちの１項記載のセンサ素子。
【請求項８】ねじれバー（２６、２８）は該ねじれバー（２６、２８）の
幅に対して大きい深さを有することを特徴とする請求項１から７のうちの１項記
載のセンサ素子。
【請求項９】フレーム（１２）及びねじれバー（２６、２８）は導電性材
料から成るか、又は、前記フレーム（１２）及び前記ねじれバー（２６、２８）
には導電性材料が設けられていることを特徴とする請求項１から８のうちの１項
記載のセンサ素子。
【請求項１０】フレーム（１２）は２分割されており、各々のフレームの
半分（１４、１８）又はねじれバー（２６、２８）は電気的接点（２０、２２）
に接続されていることを特徴とする請求項１から９のうちの１項記載のセンサ素
子。
【請求項１１】基板に配置された電極（４８、５０）を有する検出手段（
１４）はキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）を形成することを特徴とする請求項１から１
０のうちの１項記載のセンサ素子。
【請求項１２】キャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）は該キャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）
間の差キャパシタンスを測定するための評価回路に結合されていることを特徴と
する請求項１から１１のうちの１項記載のセンサ素子。
【請求項１３】検出手段（１４）は過負荷保護として使用される突出部（
５２）を有し、該突出部（５２）はキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）の電極（３０、５
０；３２、４８）間の短絡を阻止することを特徴とする請求項１から１２のうち
の１項記載のセンサ素子。
【請求項１４】センサ素子（１０）は９０°だけ互いに回転されて配置さ
れた複数の検出手段（１４）を有することを特徴とする請求項１から１３のうち
の１項記載のセンサ素子。
【請求項１５】センサ素子（１０）は表面マイクロメカニクスの方法ステ
ップによってシリコンウェハ上に構成されることを特徴とする請求項１から１４
のうちの１項記載のセンサ素子。
【請求項１６】検出手段（１４）を回転振動のために該検出手段（１４）
の固有振動数の近傍において励振する手段が設けられていることを特徴とする請
求項１から１５のうちの１項記載のセンサ素子。
【請求項１７】回転角度センサとしての請求項１から１６のうちの１項記
載のセンサ素子の使用。
【請求項１８】磁界センサとしての請求項１から１６のうちの１項記載の
センサ素子の使用。