JP2001525927A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、サブストレートに可動に懸吊ないし懸架された加速作用に基づき変位可能な振動構造の変位を検出するための評価手段を有している加速度センサに関する。その特徴とするところは、振動構造（１２）及び／又は評価手段（１３）は機械的減結合装置機構を介してサブストレートに連結されていることである。

Description

【発明の詳細な説明】 加速度センサ 本発明は請求項１の上位概念にて特定した構成要件を備えた加速度センサに関す る。 技術水準 上位概念にて特定した形式の加速度センサは公知である。この加速度センサは 、サブストレートに可動に懸吊ないし懸架された振動構造をサイズモ系受感質量 として有する。作用する加速度に基づき当該のサイズモ系受感質量は変位され、 サブストレートに対するそれの相対位置を変える。サイズモ系受感質量には加速 度に基因する変位の度合いを検出する評価手段が対応付けて配置されている。評 価手段として例えば圧電抵抗性、容量性又は周波数アナロジー形（frequenzanal oge）評価装置が公知である。容量性評価手段の場合、サイズモ系受感質量は櫛 コム構造を有し、この櫛コム構造は、位置固定の、即ち、サブストレートと連結 された櫛構造と共働する。櫛構造の個個のウエブ間で、容量の形成がなされ、該 容量の大きさはサイズモ系受感質量の変位と共に変化する。評価回路を介して、 当該の容量変化を検出し、加速度センサに作用する加速度を検出し得る。 公知の加速度センサの場合、サブストレート又はセ ンサ構造において、長さ変動─これは例えば温度依存性又は機械的ひずみに依存 する−が生じ得るという不都合がある。前記長さ変化は、サブストレートに懸吊 ないし懸架されたサイズモ系受感質量を生じさせ、当該の長さ変化は次いで、信 号変化を生じさせる。前記の信号変化により、作用する加速度の誤った検出を生 じさせたり、作用する加速度に比例する評価手段の信号にオフセットエラーが重 畳される。 発明の利点 それに対して、本発明による加速度センサでは、請求項１による構成要件によ り次のような利点が得られる、即ち、サブストレート又はセンサ構造内にて生じ る、温度依存性であり、又は機械的ひずみに依存する変動の補償を行い得るとい う効果が得られる。振動構造及び／又は評価手段が機械的減結合装置機構を介し てサブストレートと接続されていることにより、有利には、圧力及び／又は圧縮 応力並びに変動により惹起されたサブストレート又はセンサ構造内でのひずみの 材料効果を補償し得、その結果、それらが加速度センサ、殊にそれの感度に影響 を及ぼさないようになる。サブストレートとセンサとの間での材料差が、機械的 減結合により例えば、表面精密微細加工マイクロマシーニングの加算的プロセス を用いて、ウエーハ上に被着された加速度センサにおいて、補償でき、その結果 、例えばシリコンと金属材料の種々の温度膨張特性が 、幾つかの加算的技術において使用されているように補償され得る。 本発明の有利な実施形態をサブスクレームにおける構成要件として特定してあ る。 図面 次に、本発明を図を用いて実施例に即して詳細に説明する。 図１は、第１実施例による加速度センサの平面図である。 図２は、第２実施例による加速度センサの平面図である。 図３は、加速度センサの評価手段の平面図である。 実施例の説明 図１には、加速度センサ１０のデザインが平面図に示してある。加速度センサ １０は、詳細には図示してないサブストレート、例えば、ウエーハ上に構造化さ れている。構造化を、表面精密微細加工マイクロマシーニングの公知プロセスを 用いて行わせ得る。図示の実施例では、ウエーハは、図平面により形成される。 ウエーハは、同時に、加速度センサ１０に対するここでは詳細には考察しない電 気的評価回路を有し得る。 加速度センサ１０は、サイズモ系受感質量１４として構成された振動構造１２ を有する。振動構造１２は、サブストレート（ウエーハ）に対して可動に懸吊な いし懸架されている。このためにフレーム１６が設け られており、このフレームから、内側に向けられた突起１８が張出している。突 起１８は、ばねロッド２０を介して相互に連結されており、ここで、対向するば ねロッド２０間にサイズモ系受感質量１４が配されている。ばねロッド２０は、 平面図で見て、わずかな幅を有し、図平面内方に向かって見ると比較的大きな深 さを有する。フレーム１６は、減結合ウエブ２２を介して、保持ウエブ２４と連 結されている。減結合ウエブ２２は、平面図で見て、わずかな幅を有し、図平面 内方に向かって見ると比較的大きな深さを有する。保持ウエブ２４は、中央留め 付け固定点２６を用いて、サブストレート（ウエーハ）上に取り付けられている 。前記の比較的小さな取付点２６は、保持ウエブ２４，フレーム２６，振動構造 １２並びにばねウエブ２０ないし減結合ウエブ２２の、サブストレート上方に配 置された通常自由に浮遊して配置された配置構成体全体を支持している。このこ とは、表面精密微細加工マイクロマシーニングの公知の作成ステップを用いて行 い得、ここで、自由に振動する領域がアンダーエッチングされ、その結果サブス トレートと配置構成体との間にわずかなギャップが生じる。 サイズモ系受感質量１４は、両側に櫛構造２８を有し、該櫛構造は、ウエーハ の表面に対して垂直方向に設けられた板により形成される。櫛構造は、比較的剛 性に構成されていて、その結果、サイズモ系受感質量 １４の運動の際該サイズモ系受感質量１４と共に剛性的に一体的に櫛構造は振動 する。 加速度センサ１０は、更に評価手段３０を有し、該評価手段３０は、位置固定 の櫛構造３２により形成される。櫛構造３２は、保持ビーム３４から張出してお り、前記保持ビーム３４は、減結合ウエブ３６を介して保持ウエブ３８に連結さ れている。保持ウエブ３８は、留め付け固定個所４０を介してサブストレート（ ウエーハ）に連結されている。ここでも、亦、保持ウエブ３８のみが、留め付け 固定個所４０の領域内にて、サブストレートに結合されており、その結果保持ウ エブ３０の残りの領域、減結合ウエブ３６，保持ビーム３４、櫛構造３２が、片 持支持式に配置されている、換言すれば、サブストレートとの直接的接触コンタ クトを有しない。 サイズモ系受感質量１４及び評価手段３０の櫛構造２８、３２は、相互に噛み 合い係合し、それ自体公知の１つの容量性評価手段を形成する。櫛構造３２ない し２８の配置により、櫛構造２８ないし３２のそれぞれ隣接するウエブ間に容量 Ｃが生じ、ここで、─図１の平面図で見て−左に容量Ｃ１、右に容量Ｃ２が生じ ている。容量は、櫛構造２８，３２のウエブの対向し合う面により定まる。加速 度センサ１０の材料全体が導電材料、例えばシリコンから成るので、容量を、留 め付け固定個所４０を介してサブストレート内に、従 って、図示してない評価回路内に組込結合させ得る。 加速度センサ１０は、サイズモ系受感質量１４を通って延びる仮想の中心線４ ２に関して対称的に配置された減結合ウエブ２２ないし留め付け固定個所２６な いし４２を有する。櫛構造２８ないし３２は、それぞれ相互に鏡対称的に配置さ れている。留め付け固定個所２６，４０は、すべて１つの共通の仮想線４４のと ころに位置する。この仮想線４４は、櫛構造２８，３２に並行である。 而して、櫛構造の膨張の際、個々のエレメントの間隔が等しいままであり、従 って、櫛構造間の容量が実質的に変わらないことが達成される。温度依存性は更 に低減される、それというのは、当該の線４４に対して垂直な方向で、構造は自 由に膨張又は収縮する、即ち、熱的応力を誘起し得ないからである。減結合部材 に沿って緩和される、当該の線に対して垂直の方向の材料膨張はそれの線に対し て対称的に生起し、即ち、懸吊ないし懸架された質量において、それの可動櫛構 造に対して、そして、当該の線上に固定部材に固定された櫛構造に対して等しく 生起し、それらの櫛構造は共にセンサエレメントの評価手段を成す。 “剛性的”な櫛構造も、“可動の”櫛構造も同じであり、当該の線に対して垂 直方向に膨張し、又は弛むので、評価手段のギャップ間隔はたんに〜△ＴεSens ormaterialしか変化せず、これは比較的にわずかであ る。そうでない場合は、完全に固定部材（サブストレート）に取り付けられた櫛 の場合において極端な場合〜△Ｔ・（εSensormaterial−εSubstrat）・１のギ ャップの変化が生じる、但し、１は、櫛膨張の横方向膨張である。 図１に示す加速度センサ１０は次のような機能を果たす。 ２重矢印４６で表される加速度センサ１０への加速度の作用の際、サイズモ系 受感質量１４は、作用する加速度に相応して変位される。ここで、ばねロッド２ ０の構成により、２重矢印４６に示すように可能な加速度センサの方向でのみ変 位が許容される、それというのは、サイズモ系受感質量１４は、この方向でばね ロッド２０を介してソフトに懸吊ないし懸架されているからである。サイズモ系 受感質量１４の変位に基づき、櫛構造２８ないし３２のウエブ間の間隔が変化し 、その結果容量Ｃ１，Ｃ２の相応の変化が生じる。上方へ向かってのサイズモ系 受感質量１４の変位の際、サイズモ系受感質量１４の左側での櫛構造２８，３２ のウエブの間隔が減少し、一方、サイズモ系受感質量１４の右側での櫛構造２８ ，３２のウエブの間隔が増大する。相応して、容量Ｃ１，Ｃ２が減少ないし増大 し、それらの容量Ｃ１，Ｃ２は、相応の評価回路を介して検出可能であり、作用 する加速度センサ４６に相応する信号を送出する。この信号は例えば車両にて拘 束システムのトリガのため利用され得る。 線４４上での留め付け固定個所２６，４０の配置及び減結合ウエブ２２の配置 により、加速度センサ４６の作用に無関係に生じる、サブストレート内での温度 依存性及び／又は材料依存性の応力がサイズモ系受感質量１４又は評価手段３０ に伝達され得ないで、自由に緩和され得、弛み得ることが達成される。サブスト レート内に生じる機械的ひずみ及び／又は温度依存の膨張が減結合ウエブ２２に より補償され、その結果機械的ひずみ及び／又は温度依存の膨張は、フレーム１ ６及びその中に配されたサイズモ系受感質量１４には伝達され得ない。減結合ウ エブ２２は、サブストレート平面内にてソフトでフレキシブルであり、その結果 例えば保持ウエブ２４へ伝達される材料の長さ変化が補償され得る。このことが 達成されるのは、減結合ウエブ２２は平面図で見て比較的狭幅であり、図平面内 方に向かって見て比較的大きな深度を有するからである。それにより、減結合ウ エブ４２は中心線４２の方向で比較的ソフトに懸吊ないし懸架されている。フレ ーム１６と保持ウエブ２４との間の減結合ウエブ２２のアーチ状の幾何学的関係 形状により、同様に、線４４の方向で生じる長さ変化を吸収できる。減結合ウエ ブ２２の幅に比して大きな深度により、サブストレート平面に対して垂直な方向 での（図１における図平面に対して垂直な方向での）変位が、吸収される、それ というのは、減結合ウエブ２２は、当該の方向で剛性であるからである。減結合 ウエブ２２及び留め付け固定個所２６ないし４０の対称的配置により、生じる機 械的ひずみが均一に逆の極性を以て吸収され、その結果サイズモ系受感質量１４ 及び評価手段３０がそれの位置にとどまる。 加速度センサ１０自体の構造の長さ変化、例えば、温度変化の際の、ばねロッ ド２０及び／又はフレーム１６及び／又はサイズモ系受感質量１４の長さ変化─ ここで長さ変化は相応の材料の直線的膨張係数により生じる−も、第１に減結合 ウエブ２２及び留め付け固定個所２６，４０の配置により補償される。評価手段 ３０に対するサイズモ系受感質量１４の位置の変化が、それにより生じることと はない。 図２は、加速度センサ１０のさらなる実施形態を示す。図１におけると同じ部 分は同じ参照符号を付されており、再び説明をしない。図２の実施形態では、減 結合ウエブ２２はアングル部分として構成されている。これにより、同様に減結 合ウエブ２２が中心線４２の方向及び線４４の方向でソフトであり、平面図で見 てその幅に比して比較的大きな、図平面内に向かっての深度により剛性であるこ とが達成される。従って、ここでも、温度変化、又は発生機械的応力に基づきサ ブストレートにて、又は加速度センサ１０にて生じる長さ変化をも補償できる。 減結合ウエブ２２のアング ル状（winkelfoermig）の構成を、図１の減結合ウエブ２２のアーチ状の構成に より達成できる。両実施例における減結合ウエブ２２の作用は同じである。 図３は、評価手段３０の構成の１実施形態を平面図で示す。ここで保持ビーム ３４は、フレーム４６及び減結合ウエブ４８を介して保持ウエブ３８に連結され ている。保持ウエブ３８は、同じく留め付け固定個所４０を介してサブストレー トに取り付けられている。 図３に示す実施形態により、付加的に評価手段３０のサブストレート又は評価 手段３０自体の長さ変化からの減結合が達成される。線４４上での留め付け固定 個所４０の配置及び減結合ウエブ４８の対称的配置により、ここでも亦、サブス トレートの材料における機械的ひずみ及び温度に基因する長さ変化からの評価手 段３０の改善された減結合が達成される。減結合ウエブ４８は同じくアングル状 に構成されており、その結果前記減結合ウエブ４８は、線４４及び中心線４２（ 図１）の方向でソフトであり、サブストレートに対して垂直方向に剛性である。 １つの線上での留め付け固定個所２６，４０の配置及び減結合ウエブ２２ない し４８を用いて完全な温度及びひずみ補償が可能であり、その結果、センサ材料 、即ちサブストレート又は加速度センサ１０自体内でのいずれの圧縮及び引張応 力をも補償でき、従って、それらの圧縮及び引張応力は、センサ特性、殊にオフ セット及び感度に影響を及ぼさないようになる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年５月２０日（１９９９．５．２０） 【補正内容】 請求の範囲 1. サブストレートに可動に懸吊ないし懸架された、加速作用に基づき変位可能 な振動構造及び加速度に基づく振動構造の変位を検出するための評価手段を有し ている加速度センサにおいて、 振動構造（１２）及び評価手段（３０）は機械的減結合装置機構を介してサ ブストレートに連結されていることを特徴とする加速度センサ。 2. 振動構造（１２）は、浮動的に懸吊ないし懸架されたフレーム（１６）内に 配置されており、該フレーム（１６）は、減結合ウエブ（２２）を介してサブス トレートに連結された保持ウエブ（２４）に連結されていることを特徴とする請 求項２記載の加速度センサ。 3. 保持ウエブ（２４）は、それぞれ１つの対称的に配置された留め付け固定個 所（２６）を介してサブストレートに連結されていることを特徴とする請求項１ 又は２記載の加速度センサ。 4. 減結合ウエブ（２２）は、アーチ状にフレーム（１６）と保持ウェブ（２４ ）との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３までのうちいずれか １項記載の加速度センサ。 5. 減結合ウエブ（２２）は、アングル状にフレーム（１６）と保持ウェブ（２ ４）との間に設けられて いることを特徴とする請求項１から３までのうちいずれか１項記載の加速度セン サ。 6. 評価手段（３０）は、減結合ウエブ（４８）を介して、サブストレートに連 結された保持ウエブ（３８）に連結されていることを特徴とする請求項１から５ までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 7. 減結合ウエブ（４８）は、アングル状に評価手段（３０）と保持ウエブ（３ ８）との間に設けられていることを特徴とする請求項１から６までのうちいずれ か１項記載の加速度センサ。 8. 保持ウエブ（３８）は、それぞれ対称的に配置された留め付け固定箇所（４ ０）を介してサブストレートに連結されていることを特徴とする請求項１から７ までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 9. 評価手段（３０）は、フレーム（４６）と連結されており、該フレーム（４ ６）は、減結合ウエブ（４８）を介して保持ウエブ（３８）と連結されている請 求項１から８までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 10．フレーム（１６，４６）は、それぞれ４つの対称的に配置された減結合ウエ ブ（２２，４８）を介して保持ウエブ（２４，３８）に連結されていることを特 徴とする請求項１から９までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 11．減結合ウエブ（２２，３８）は、サブストレート 表面に並行に延びる運動方向でソフトであり、そして、サブストレート表面に対 して垂直方向に剛性的であることを特徴とする請求項１から１０までのうちいず れか１項記載の加速度センサ。 12．留め付け固定箇所（２６，４０）は、１つの仮想線（４４）上に位置してい ることを特徴とする請求項１から１１までのうちいずれか１項記載の加速度セン サ。 13．櫛形構造（２８，３２）が設けられており、前記櫛形構造（２８，３２）は 、細長い板状の、相互に並行に配置されたウエブから構成されており、仮想線（ ４４）は、ウエブに並行に配されていることを特徴とする請求項１２記載の加速 度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィルヘルム フライ ドイツ連邦共和国 Ｄ―70178 シユツツ トガルト ゾフィーエンシュトラーセ 13

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. サブストレートに可動に懸吊ないし懸架された、加速作用に基づき変位可能 な振動構造及び加速度に基づく振動構造の変位を検出するための評価手段を有し ている加速度センサにおいて、 振動構造（１２）及び／又は評価手段（３０）は機械的減結合装置機構を介 してサブストレートに連結されていることを特徴とする加速度センサ。 2. 振動構造（１２）は、浮動的に懸吊ないし懸架されたフレーム（１６）内に 配置されており、該フレーム（１６）は、減結合ウエブ（２２）を介してサブス トレートに連結された保持ウエブ（２４）に連結されていることを特徴とする請 求項２記載の加速度センサ。 3. 保持ウエブ（２４）は、それぞれ１つの対称的に配置された留め付け固定個 所（２６）を介してサブストレートに連結されていることを特徴とする請求項１ 又は２記載の加速度センサ。 4. 減結合ウエブ（２２）は、アーチ状にフレーム（１６）と保持ウェブ（２４ ）との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３までのうちいずれか １項記載の加速度センサ。 5. 減結合ウエブ（２２）は、アングル状にフレーム（１６）と保持ウェブ（２ ４）との間に設けられて いることを特徴とする請求項１から３までのうちいずれか１項記載の加速度セン サ。 6. 評価手段（３０）は、減結合ウエブ（１８）を介して、サブストレートに連 結された保持ウエブ（３８）に連結されていることを特徴とする請求項１から５ までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 7. 減結合ウエブ（４８）は、アングル状に評価手段（３０）と保持ウエブ（３ ８）との間に設けられていることを特徴とする請求項１から６までのうちいずれ か１項記載の加速度センサ。 8. 保持ウエブ（３８）は、それぞれ対称的に配置された留め付け固定箇所（４ ０）を介してサブストレートに連結されていることを特徴とする請求項１から７ までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 9. 評価手段（３０）は、フレーム（４６）と連結されており、該フレーム（４ ６）は、減結合ウエブ（４８）を介して保持ウエブ（３８）と連結されている請 求項１から８までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 10．フレーム（１６，４６）は、それぞれ４つの対称的に配置された減結合ウエ ブ（２２，４８）を介して保持ウエブ（２４，３８）に連結されていることを特 徴とする請求項１から９までのうちいずれか１項記載の加速度センサ。 11．減結合ウエブ（２２，３８）は、サブストレート 表面に並行に延びる運動方向でソフトであり、そして、サブストレート表面に対 して垂直方向に剛性的であることを特徴とする請求項１から１０までのうちいず れか１項記載の加速度センサ。 12．留め付け固定箇所（２６，４０）は、１つの仮想線（４４）上に位置してい ることを特徴とする請求項１から１１までのうちいずれか１項記載の加速度セン サ。 13．櫛形構造（２８，３２）が設けられており、前記櫛形構造（２８，３２）は 、細長い板状の、相互に並行に配置されたウエブから構成されており、仮想線（ ４４）は、ウエブに並行に配されていることを特徴とする請求項１２記載の加速 度センサ。