JP2005534939A - マイクロマシニング型の構成エレメント - Google Patents

Abstract

構成エレメントにおいて互いに異なる２つの感度を同時に実現するためには、特に基板（５）と、少なくとも１つのばね装置（３，４，１０）と、少なくとも１つのサイズモ式の質量体とを備えた加速度センサにおいて、ばね装置（３，４，１０）が、累進的なばね特性線に相応の固有に非線形の特性に対して規定されており、ばね特性線において、より大きな加速度（ｇ）が、少なくとも部分的により大きな剛性（ばね定数）に結び付けられていることが提案される。

Description

本発明は、マイクロマシニング型の構成エレメント、特に加速度センサであって、基板と、少なくとも１つのばね装置と、少なくとも１つのサイズモ式の質量体とが設けられており、ばね装置が、第１の端部で基板に結合されていて、第２の端部で質量体に結合されており、基板に対して相対的な加速度、特に基板の表面に対して平行な加速度によって、基板に対して相対的な質量体の運動が発生可能であるように、ばね装置の剛性（ばね定数）が規定されている形式のものに関する。

このような形式のマイクロマシニング型の構成エレメント、つまり、マイクロマシニング技術を用いて製作された構成エレメントは、すでにドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１２９６０号明細書に基づき公知である。

任意のマイクロマシニング型の構成エレメントおよび構造体、特にセンサおよびアクチュエータに使用可能であるにもかかわらず、本発明ならびに本発明の根底にある問題性を、シリコン表面マイクロマシニング（ＯＭＭ）のテクノロジで製作可能なマイクロマシニング型の加速度センサに関して説明する。

加速度センサおよび特に表面マイクロマシニングもしくはバルクマイクロマシニングのテクノロジにおけるマイクロマシニング型の加速度センサは、自動車装備分野における益々大きな市場部分を獲得していて、徐々に従来慣用の圧電式の加速度センサに取って代わる。

公知のマイクロマシニング型の加速度センサは、通常、ばね弾性的に支承された、外的な加速度によって少なくとも一方向に変位可能であるサイズモ式の質量体装置が変位時に容量変化を、この容量変化に関連した差動コンデンサ装置に生ぜしめるように機能する。この容量変化は加速度に対する量である。運動させられる電極と固定の電極とから成る、基板の表面に対して平行な櫛形構造体を備えた差動コンデンサ装置は、前述した刊行物に記載されている。変位量は、適切な別の測定方法でも検出することができる。

加速度の測定量に対する、このような公知のマイクロマシニング型の加速度センサの感度は、現在、主として、サイズモ式の質量体のばね支承装置の剛性、すなわち、サイズモ式の質量体の、予め選択したいばね定数によってしか調整することができない。しかし、この場合、高い感度は、ばねの線形の戻り力が小さく、これによって、構成エレメントが、その相応に僅かな負荷耐性に基づき、低ｇセンサとしてしか使用することができないことを意味している。したがって、より高い最大の加速度、たとえば５０ｇ（ｇ＝重力加速度）または１００ｇを備えた範囲で使用したい加速度センサのためには、ばね装置が最初から、より高い剛性（ばね定数）を備えて設計されなければならない。

しかし、加速度と変位量との間の線形の関係に基づき、このような形式の「硬性」のばねでは、大きな加速度が小さな変位量ひいては一層僅かな感度にも対応する。実際の使用のためには、下側の測定範囲における高い分解能と、大きな測定範囲、すなわち、大きな最大の加速度にまで到達可能な測定範囲とを同時に有するセンサへの要望がある。しかし、従来、使用者は、規定された範囲クラスもしくは感度クラスに対して決定しなければならないかまたは手間のかかる択一性として、種々異なる範囲クラスの複数のセンサを同時に使用しなければならない。

予め選択したいｇ範囲クラスは、種々異なるｇ範囲クラスに対して、それぞれ異なるレイアウトが必要であるという製作技術的な欠点も生ぜしめる。したがって、上述した刊行物では、冒頭で述べた形式の加速度センサが提案される。この加速度センサでは、ばね剛性が製作後でも前測定時にまたは最終測定時にまだ外部から調整可能であり、これによって、ただ１つのレイアウトもしくはデザインが剛性の幅広い範囲に対して使用可能となる。この目的のためには、ばね装置の部分がロック解除可能にもしくはロック可能に形成されており、これによって、所望される効率的なばね定数が、特に分離領域に対する測定電流もしくは外部から制御可能な磁界の作用によって調整可能となる。１回行われた調整は、万が一の場合には、新たな外的な調整手続きによって変更可能となる。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のマイクロマシニング型の構成エレメントを改良して、マイクロマシニング型の構成エレメントが、外的な影響を要求することなしに、下側の測定範囲における高い分解能と、大きな測定範囲、すなわち、大きな最大の加速度にまで到達可能な測定範囲とを同時に有しているようにすることである。

この課題は、本発明によれば、ばね装置が、累進的なばね特性線に相応の固有に非線形の特性に対して規定されており、ばね特性線において、より大きな加速度が、少なくとも部分的により大きな剛性（ばね定数）に結び付けられており、これによって、非線形のばね装置を備えた当該構成エレメントが、より大きな加速度で少なくとも部分的により僅かな感度を有していることによって解決される。

（ばね装置の累進的な特性線に相応の）累減的なセンサ特性線を備えた非線形の構成エレメントは、加速度の測定範囲にわたって少なくとも部分的にまたは連続的にすら減少する感度を供給する。したがって、本発明によれば、種々異なる感度は別として、互いに異なる２つのｇ範囲クラスセンサの機能をただ１つの非線形の構成エレメントによってカバーすることができる。

従属請求項には、請求項１に記載したマイクロマシニング型の構成エレメントの有利な構成および改良形が記載してある。

有利な構成によれば、ばね装置が、２つの撓みばねエレメントによって形成されており、基板に対する第１の撓みばねエレメントの可動性が、弾性的なばねストッパによって制限されているものの、限定されていないように、撓みばねエレメントが配置されており、ばねストッパが、第２の撓みばねエレメント自体によって形成されている。これによって、加速度の増加時には、構成エレメントの感度が、まず、第１の撓みばねエレメントのばね定数に相当するコンスタントな値を有しており、これに対して、前記感度が、ばねストッパへの到達以降、さらなる変位時の第１の撓みばねエレメントによる第２の撓みばねエレメントの連行に基づき、同じくコンスタントであるものの、より高いばね定数に相当する、より高い値を有している。こうして、より高い傾き（感度）を備えた線形の第１の部分範囲と、これに続いて「折れを備えて」、より低い傾き（感度）を備えた線形の第２の部分範囲とから形成されたセンサ特性線を備えた構成エレメントを実現することができる。すなわち、この事例では、固有の非線形性が、２つのばねエレメントの、自動制御される付加的な協働によって提供可能となる。

別の有利な構成によれば、ばね装置が、加速度の方向に対して横方向に配置された、第１の端部から第２の端部に向かって角錐形に先細りになる縦長の撓みばねエレメントによって形成されており、該撓みばねエレメントのばね定数が、撓みと共に増加するようになっており、これによって、固有の非線形性が、構成エレメント特性線のほぼ対数の経過を生ぜしめるようになっていることによって、（ほぼ）連続的に非線形の特性を実現することができる。すなわち、この事例では、ばねエレメントが非線形の特性を、使用される材料および幾何学的な構成自体に基づきすでに生ぜしめる。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、たとえば図２および図３に示した撓みばねエレメントによって実現可能であるようなセンサ特性線１，２の非線形の経過が示してある。非線形の特性線のこの単純な事例では、この特性線が、より高い傾きを備えたコンスタントな第１の部分範囲１と、同じくコンスタントであるものの、より僅かに急傾斜の経過を備えた第２の部分範囲２とから不連続に「折れ」を備えて形成されており、これによって、センサ特性線が全体的に累減的な経過を有している。

図１に示したセンサ特性線１，２と、図示していないばね特性線との関係は、フックの法則によれば、ばね装置の線形の戻り力が変位量に直接比例しており、これによって、質量体の変位により測定された、図１に示したセンサ出力信号Ｕがばね定数の逆数に関連していることにある。したがって、下側の測定範囲、すなわち、小さな加速度値ｇにおける特性線１のより大きな傾きは、マイクロマシニング型の構成エレメントの高い感度に相当していて、「軟性」のばね、すなわち、僅かな剛性もしくはばね定数を備えたばねに対応している。逆に、センサ特性線の第２の部分範囲２、すなわち、大きな加速度値ｇにおける加速度センサの、より僅かであるものの、この部分範囲にわたって同じくコンスタントな感度は、「硬性」のばね、すなわち、より大きな剛性もしくはばね定数を備えたばねに相当している。

図２には、本発明の第１の構成による撓みばねエレメント３，４がそれぞれ縦長の形を有していて、その第１の端部でそれぞれ構成エレメント基板５にアンカ固定されていることが示してある。作用する加速度ｇの方向（基板５の表面に対して平行）は、図２および図３にそれぞれ矢印によって示してある。撓みばねエレメント３，４は、互いに平行に加速度ｇの方向に対して横方向（特に垂直）に配置されている。この場合、第１の撓みばねエレメント３の、質量体に結合された第２の端部６は、第２の撓みばねエレメント４の、当接する第１の撓みばねエレメント３を介して間接的に質量体（図示せず）に結合可能な第２の端部７を越えて張り出している。

図３による機能状態で示したように、質量体の加速度が第１の撓みばねエレメント３の撓みを第２の撓みばねエレメント４にまで生ぜしめると、この第２の撓みばねエレメント４の第２の端部７に対する第１の撓みばねエレメント３の、第２の撓みばねエレメント４に面した側の表面の当接８が生ぜしめられる。第１の撓みばねエレメント３のさらなる加速および変形時には、この第１の撓みばねエレメント３が第２の撓みばねエレメント４をさらなる撓みで連行する。この場合、この第２の撓みばねエレメント４の付加的なばね定数が働き始める。特に撓みばねエレメント３，４の長さ（ひいては剛性）と、第２の撓みばねエレメント４を越える第１の撓みばねエレメント３の「張出し部」の長さと、撓みばねエレメント３，４相互の間隔との選択によって、非線形の撓み特性の性質に関する要望を比較的幅広い範囲で実現することができる。

図４には、本発明の第２の構成が示してある。これによれば、ばね装置が、加速度ｇの方向に対して横方向に配置された、第１の端部から第２の端部９に角錐形に先細りになる縦長の撓みばねエレメント１０によって形成されている。この撓みばねエレメント１０では、形状付与に基づき、撓みばねエレメント１０のばね定数が撓みに伴って連続的に増加し、これによって、この固有の非線形性が構成エレメント特性線のほぼ対数の経過を生ぜしめることを見込むことができる。

加速度センサを製作するための表面マイクロマシニングのテクノロジの、根底にある公知のプロセスシーケンスは、特にサイズモ式の質量体とばね装置とを一般的にエピタキシャル多結晶シリコンにおいて、酸化物から成る犠牲層の上方でエッチングによって構造化することに基づいている。次いで、適切な方法による犠牲層の選択的な等方性のエッチングによって、自由な可動の構成エレメント構成要素が解離される。本発明による構成エレメントのためのばね装置はこの既存の枠内で難なく製作することができる。

本発明を有利な実施例につき前述したにもかかわらず、本発明はこれらの実施例に制限されておらず、種々異なる形式で変更可能である。たとえば、本発明は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５９７０７号明細書に記載されたように、振動質量体が、基板表面に対して垂直に位置する回動軸線および基板表面に対して平行に位置する少なくとも１つの回動軸線を中心として弾性的に休止位置から変位可能である加速度センサに使用することができる。また、互いに異なる２つの質量体がシーソ状に基板表面に対して垂直に変位可能である加速度センサでの使用も可能である。この場合、懸架はねじりばねによって付与されている。

図２および図３に示した構成の構成エレメントに対する加速度と出力信号との関係を備えた構成エレメント特性線を概略的な線図で示す図である。

本発明の第１の構成による加速度センサの第１の機能状態の部分的な平面図である。

本発明の第１の構成による加速度センサの第２の機能状態の部分的な平面図である。

本発明の第２の構成による加速度センサを図２および図３と同じ図で示す図である。

符号の説明

１ センサ特性線、 ２ センサ特性線、 ３ 撓みばねエレメント、 ４ 撓みばねエレメント、 ５ 基板、 ６ 端部、 ７ 端部、 ８ 当接、 ９ 端部、 １０ 撓みばねエレメント、 ｇ 加速度、 Ｕ センサ出力信号

Claims (6)

1. マイクロマシニング型の構成エレメント、特に加速度センサであって、基板（５）と、少なくとも１つのばね装置（３，４，１０）と、少なくとも１つのサイズモ式の質量体とが設けられており、ばね装置（３，４，１０）が、第１の端部で基板（５）に結合されていて、第２の端部（６，９）で質量体に結合されており、基板（５）に対して相対的な加速度（ｇ）、特に基板（５）の表面に対して平行な加速度（ｇ）によって、基板（５）に対して相対的な質量体の運動が発生可能であるように、ばね装置（３，４，１０）の剛性（ばね定数）が規定されている形式のものにおいて、
   ばね装置（３，４，１０）が、累進的なばね特性線に相応の固有に非線形の特性に対して規定されており、ばね特性線において、より大きな加速度（ｇ）が、少なくとも部分的により大きな剛性（ばね定数）に結び付けられており、これによって、非線形のばね装置（３，４，１０）を備えた当該構成エレメントが、より大きな加速度（ｇ）で少なくとも部分的により僅かな感度を有していることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメント。
2. −ばね装置が、２つの撓みばねエレメント（３，４）によって形成されており、基板（５）に対する第１の撓みばねエレメント（３）の可動性が、弾性的なばねストッパ（８）によって制限されているものの、限定されていないように、撓みばねエレメント（３，４）が配置されており、
   −ばねストッパ（８）が、第２の撓みばねエレメント（４）自体によって形成されており、
   −これによって、加速度（ｇ）の増加時に当該構成エレメントの感度が、まず、第１の撓みばねエレメント（３）のばね定数に相当するコンスタントな値を有しており、これに対して、前記感度が、ばねストッパ（８）への到達以降、さらなる変位時の第１の撓みばねエレメント（３）による第２の撓みばねエレメント（４）の連行に基づき、同じくコンスタントであるものの、より高いばね定数に相当する、より高い値を有している、
   請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
3. −撓みばねエレメント（３，４）が、それぞれ縦長の形を有しており、
   −該撓みばねエレメント（３，４）が、互いに平行に加速度（ｇ）の方向に対して横方向に配置されており、第１の撓みばねエレメント（３）の、質量体に結合された第２の端部（６）が、第２の撓みばねエレメント（４）の、当接する第１の撓みばねエレメント（３）を介して間接的に質量体に結合可能な第２の端部（７）を越えて張り出しており、
   −第２の撓みばねエレメント（４）までの第１の撓みばねエレメント（３）の、質量体の加速度（ｇ）により生ぜしめられた撓みによって、第２の撓みばねエレメント（４）の第２の端部（７）に対する第１の撓みばねエレメント（３）の、第２の撓みばねエレメント（４）に面した側の表面の当接（８）が生ぜしめられている、
   請求項２記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
4. ばね装置が、加速度（ｇ）の方向に対して横方向に配置された、第１の端部から第２の端部（９）に向かって厚さに関して減少する縦長の撓みばねエレメント（１０）によって形成されており、該撓みばねエレメント（１０）のばね定数が、撓みと共に増加するようになっている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
5. 前記厚さが、角錐形に減少している、請求項４記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
6. 固有の非線形性が、構成エレメント特性線（１，２）のほぼ対数の経過を生ぜしめるようになっている、請求項５記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。

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