JP2004510984A - マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための次のような方法に関する。すなわち、該マイクロメカニカル構成部材には、基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第１コンデンサ電極（Ｆ１）と、基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第２コンデンサ電極（Ｆ２）と、前記第１コンデンサ電極（Ｆ１）と前記第２コンデンサ電極（Ｆ２）との間に配置され基板（ＳＵ）の上方に弾性変位可能であるように懸架された第３コンデンサ電極（Ｂ）と、前記のように構成された可変コンデンサ（Ｆ１，Ｂ；Ｂ，Ｆ２）のキャパシタンス（Ｃ１，Ｃ１’；Ｃ２，Ｃ２’）の容量差を検出するための容量差検出装置とが設けられている方法に関する。ここでは、第１電位（Ｖ_Ｆ１）が第１コンデンサ電極（Ｆ１）に印加され、第２電位（Ｖ_Ｆ２）が第２コンデンサ電極（Ｆ２）に印加され、第３電位（Ｖ_Ｂ）が第３コンデンサ電極（Ｂ）に印加され、第４電位（Ｖ_Ｓ）が基板（ＳＵ）に印加される。基板（ＳＵ）に印加される第４電位（Ｖ_Ｓ）は、容量差検出装置の動作のために電気的ゼロ点調整するために変更される。

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための方法および装置に関する。ここではこのマイクロメカニカル構成部材には、基板の上方に固定的に懸架された第１のコンデンサ電極と、基板の上方に固定的に懸架された第２のコンデンサ電極と、前記第１コンデンサ電極と第２コンデンサ電極との間に配置され弾性変位可能であるように基板の上方に懸架されている第３のコンデンサ電極と、前記のように構成された可変コンデンサのキャパシタンスの容量差を検出するための容量差検出装置とが設けられている。
【０００２】
本発明は任意のマイクロメカニカル構成部材およびマイクロメカニカル構造体、とりわけセンサおよびアクチュエータに適用できるが、本発明および本発明の基になっている問題点を、シリコン表面マイクロメカニクスの技術で製造可能な、ヨーレートセンサのマイクロメカニカルコリオリ式加速度センサに関連して説明する。
【０００３】
一般的な加速度センサ、とりわけ表面マイクロメカニクスないしは容積マイクロメカニクスの技術におけるマイクロメカニカル加速度センサは、自動車装備の分野においてますます市場を拡大させており、ますます従来の通常の圧電式加速度センサに取って代わってきている。
【０００４】
公知のマイクロメカニカル加速度センサでは通常、弾性支承され外部加速度によって少なくとも１つの方向に変位可能な振動質量装置が、該振動質量装置に接続された差動コンデンサ装置において変位時にキャパシタンス変化を引き起こし、このキャパシタンス変化が加速度に対する尺度となる。これらの構成部材は通常、ポリシリコン、たとえばエピタクシーポリシリコンにおいて、酸化物から成る犠牲層の上に構造化される。
【０００５】
しかし、マイクロメカニカルセンサ構成部材は一般的に、線形加速度または回転加速度を検出するのに使用されるだけでなく、傾きおよび回転速度を検出するのにも使用される。ここでは大抵、前記の容量差測定原理が適用される。この容量差測定原理では、たとえば加速度である測定量がマイクロメカニカルセンサ構造体の可動なコンデンサ電極の位置変化を引き起こすことによって、可動コンデンサ電極の両面に配置され相応に固定された２つのコンデンサ電極が、電気的測定キャパシタンス値とは逆方向に変化する。言い換えれば、一方のコンデンサのキャパシタンスは所定の量だけ増加し、前記のように構成された他方のコンデンサのキャパシタンスは相応の値だけ、つまりコンデンサ電極の間隔の相応の変化に基づいて減少する。
【０００６】
このような測定構造体のゼロ位置または該当するマイクロメカニカルセンサ素子の寄生キャパシタンス成分に非対称が存在すると、それが非常に小さな非対称でも、センサ素子の出力端において電気的オフセットないしは電気的ゼロ点のずれが生じる。このようなオフセットは通常、個別にセンサ調整する際に相応の電圧ないしは相応の電流を付加することにより、容量差検出装置の該当の信号系統において補償される。
【０００７】
このように、センサをオフセット調整する際に該当の信号系統に介入すると、意図せずに重要な他の関数パラメータに悪影響が生じてしまい、たとえばオフセットで温度特性が生じ、それと同時に信号増幅率およびセンサ感度の変化も生じてしまうおそれがある。このことにより、さらなる補償および調整が必要になり、センサ調整のコストが著しく高くなってしまう。
【０００８】
さらにこのようなオフセット調整の位置づけは、増幅率調整の少なくとも一部がオフセット補償の後で初めて実行されると、該当の信号系統の総増幅率、たとえば調整すべき定格感度に依存してしまう。
【０００９】
本発明の利点
マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための、請求項１の特徴を有する方法、ないしは請求項４記載の相応の装置は、次のような利点を有する。すなわち、容量的に評価されるセンサ素子のオフセット調整ないしはゼロ点調整を高感度の信号系統の外部で、すなわち増幅係数に依存せずに実行でき、たとえば温度特性により生じる寄生的な信号の歪みをもたらすことがないという利点を有する。
【００１０】
本発明の基礎となる考えは、基板に印加される第４の電位を、容量差検出装置の動作のための電気的ゼロ点を調整するために変化させることである。
【００１１】
従属請求項には、本発明の各対象の有利な発展形態および改善手段が記載されている。
【００１２】
有利な発展形態によれば、容量差を検出するために必要な電位はクロック制御されて印加される。
【００１３】
別の発展形態では、マイクロメカニカル構成部材は、複数の可動コンデンサ電極および複数の固定コンデンサ電極を備えたインターデジタルコンデンサ装置を有する。
【００１４】
図面
本発明の実施例は図面に示されており、以下の説明においてより詳細に説明される。
【００１５】
図１は、第１基板電位の場合の本発明の実施形態による加速度センサの断面図の一部を示している。
【００１６】
図２は、第２基板電位の場合の本発明の実施形態による加速度センサの断面図の一部を示している。
【００１７】
実施例の説明
図において同一の参照番号は、同一の構成エレメントまたは同機能の構成エレメントを示す。
【００１８】
図１は、第１基板電位の場合の本発明の実施形態による加速度センサの断面図の一部を示している。図１に概略的に示された断面図は、容量差信号評価のための３つのコンデンサ電極を示している。
【００１９】
図１において、Ｆ１は基板ＳＵの上方に固定的に懸架された第１のコンデンサ電極を示しており、Ｆ２は基板ＳＵの上方に固定的に懸架された第２のコンデンサ電極を示しており、Ｂは、第１コンデンサ電極と第２コンデンサ電極との間に配置され基板ＳＵの上方に変位可能に懸架された第３のコンデンサ電極を示している。第３コンデンサ電極Ｂは、ばね装置を介して静止位置へ戻ることができる。
【００２０】
３つの電極Ｆ１、Ｂ、Ｆ２は、前記のように構成された可変コンデンサＦ１、Ｂ；Ｂ、Ｆ２のキャパシタンスＣ１、Ｃ２の容量差を検出するための容量差検出装置（ここには図示されていない）に接続されている。
【００２１】
第１固定コンデンサ電極Ｆ１には電位Ｖ_Ｆ１が印加され、第２コンデンサ電極Ｆ２には電位Ｖ_Ｆ２が印加され、第３コンデンサ電極には電位Ｖ_Ｂが印加される。たとえば、Ｖ_Ｆ１＝５Ｖ、Ｖ_Ｆ２＝０Ｖ、Ｖ_Ｂ＝２．５Ｖである。さらに、基板ＳＵには電位Ｖ_Ｓ＝Ｖ１（たとえば２．５Ｖ）が印加される。また図１には、電位印加の結果発生する電界線も概略的に示されている。図の二重矢印は、第３の可動コンデンサ電極Ｂの変位に対する検出方向を示している。
【００２２】
実際には、キャパシタンス測定に必要な電位はコンデンサ電極に静的に印加されるのではなく、クロック制御されてコンデンサ電極に印加される。
【００２３】
話を簡単にするため、コンデンサ電極Ｆ１、Ｆ２、Ｂの相互の間隔が完全に対称的であるように図示するが、ここでは寄生キャパシタンスが非対称であり、ゼロ点調整が必要であると仮定する。
【００２４】
図１のように電位Ｖ_Ｆ１、Ｖ_Ｂ、ＶＦ_２、Ｖ_Ｓが印加される場合、第３可動コンデンサ電極Ｂに検出方向Ｓに作用する合力は０である。
【００２５】
図２は、第２の基板電位の場合の本発明の実施例による加速度センサの断面の一部を示している。
【００２６】
ここで、基板ＳＵの電位Ｖ_ＳがＶ１＝２．５ＶからＶ２＝３Ｖへ変化した場合、横方向の電界線分布に非対称が生じることによる変化方向に応じて、小さな電気的力Ｋが可動コンデンサ電極Ｂに検出方向Ｓに作用する。換言すれば、基板ＳＵの電位Ｖ_ＳがＶ１＝２．５ＶからＶ２＝３Ｖへ変化することにより電界線にひずみが生じ、合力Ｋが生じる。
【００２７】
この合力Ｋによって可動コンデンサ電極Ｂは横方向に変位し、２つのコンデンサＦ１、Ｂ；Ｂ、Ｆ２のキャパシタンス値Ｃ１、Ｃ２は新たなキャパシタンス値Ｃ１’、Ｃ２’に同調される。このことにより、容量差検出装置の出力端におけるゼロ点が変化する。
【００２８】
基板ＳＵの電位Ｖ_Ｓが可動コンデンサ電極Ｂの電位より低いと、図２と反対方向に電気的力が生じる。
【００２９】
ここで重要なのは、信号増幅系統に完全に依存せずに基板ＳＵの電位ＶＳを変化できるということである。このことにより、従来技術で生じる欠点を回避することができる。
【００３０】
以上で本発明を１つの有利な実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施例に制限されることはなく、多岐にわたってアレンジすることができる。
【００３１】
上記の実施例では、本発明の基本原理を説明するため、簡単な形態の本発明による加速度センサを説明した。上記実施例を組み合わせること、また同じエレメントないしは方法ステップを使用してさらに複雑な実施形態を構成することも、もちろん考えられる。
【００３２】
また、上記実施例で例として使用されたシリコン基板だけでなく、任意のマイクロメカニクス基本材料を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
第１の基板電位の場合の本発明の実施例による加速度センサの断面の一部を示している。
【図２】
第２の基板電位の場合の本発明の実施例による加速度センサの断面の一部を示している。

Claims (6)

1. マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための方法であって、該マイクロメカニカル構成部材には、
   基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第１コンデンサ電極（Ｆ１）と、
   基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第２コンデンサ電極（Ｆ２）と、
   前記第１コンデンサ電極（Ｆ１）と前記第２コンデンサ電極（Ｆ２）との間に配置され、基板（ＳＵ）の上方に弾性変位可能であるように懸架された第３コンデンサ電極（Ｂ）と、
   前記のように構成された可変コンデンサ（Ｆ１，Ｂ；Ｂ，Ｆ２）のキャパシタンス（Ｃ１，Ｃ１’；Ｃ２，Ｃ２’）の容量差を検出するための容量差検出装置とが設けられており、
   第１電位（Ｖ_Ｆ１）を前記第１コンデンサ電極（Ｆ１）に印加するステップと、
   第２電位（Ｖ_Ｆ２）を前記第２コンデンサ電極（Ｆ２）に印加するステップと、
   第３電位（Ｖ_Ｂ）を前記第３コンデンサ電極（Ｂ）に印加するステップと、
   第４電位（Ｖ_Ｓ）を基板（ＳＵ）に印加するステップとを含む形式の方法において、
   基板（ＳＵ）に印加される第４電位（Ｖ_Ｓ）を変化させることにより、容量差検出装置の動作のための電気的ゼロ点を調整をすることを特徴とする方法。
2. 容量差を検出するために必要な電位（Ｖ_Ｆ１、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｆ２、Ｖ_Ｓ）をクロック制御して印加する、請求項１記載の方法。
3. マイクロメカニカル構成部材は、複数の可動コンデンサ電極および複数の固定コンデンサ電極を備えたインターデジタルコンデンサ装置を有している、請求項１記載の方法。
4. マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための装置であって、該マイクロメカニカル構成部材には
   基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第１コンデンサ電極（Ｆ１）と、
   基板（ＳＵ）の上方に固定的に懸架された第２コンデンサ電極（Ｆ２）と、
   前記第１コンデンサ電極（Ｆ１）と前記第２コンデンサ電極（Ｆ２）との間に配置され基板（ＳＵ）の上方に弾性変位可能であるように懸架された第３コンデンサ電極（Ｂ）と、
   前記のように構成された可変コンデンサ（Ｆ１，Ｂ；Ｂ，Ｆ２）のキャパシタンス（Ｃ１，Ｃ１’；Ｃ２，Ｃ２’）の容量差を検出するための容量差検出装置と、電位供給装置とが設けられており、
   該電位供給装置は、第１電位（Ｖ_Ｆ１）を前記第１コンデンサ電極（Ｆ１）に印加し、
   第２電位（Ｖ_Ｆ２）を前記第２コンデンサ電極に印加し、
   第３電位（Ｖ_Ｂ）を前記第３コンデンサ電極（Ｂ）に印加し、
   第４電位（Ｖ_Ｓ）を基板（ＳＵ）に印加する形式のものにおいて、
   該電位供給装置は、基板（ＳＵ）に印加される第４電位（Ｖ_Ｓ）を変化させることにより、容量差検出装置の動作のために電気的ゼロ点調整をするように構成されていることを特徴とする装置。
5. 容量差を検出するために必要な電位（Ｖ_Ｆ１、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｆ２、Ｖ_Ｓ）はクロック制御されて印加される、請求項４記載の装置。
6. マイクロメカニカル構成部材は、複数の可動コンデンサ電極および複数の固定コンデンサ電極を備えたインターデジタルコンデンサ装置を有している、請求項４記載の装置。