JP2008145440A - 変動する表面負荷に対する感度が低下されたマイクロマシン構造の慣性センサ、及び慣性センサを駆動するために適した方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板１に対して相対的に変位可能なサイズモ質量体２と電極面３とを備え、該電極面３が、少なくともサイズモ質量体２の部分と共に回路技術的に、サイズモ質量体２の変位に基づく容量を有する少なくとも１つのキャパシタを形成している形式の、マイクロマシン構造の慣性センサを改良して、マイクロマシン構造の慣性センサ特にＺセンサの出力信号に作用する、変動する表面負荷の影響を低下させる可能性を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの別の補助電極（５）が設けられていて、該補助電極（５）がキャパシタを形成する領域（４）の外側に位置していて、サイズモ質量体（２）の電位とは異なる電位に設定可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、出力信号における変動する表面負荷の影響に対する感度が低下されたマイクロマシン構造の慣性センサ、並びにこのような形式のセンサを駆動するために適した方法に関する。ウェーハ平面に対して垂直な加速度を測定するためのマイクロマシン構造の複数のセンサは、１つの重心点を形成する。このような形式のセンサは、いわゆるＺセンサとして、優先的に自動車のセーフティーシステムに、及び消費者の利用物（例えば移動電話、フリーブラケット；Spielekonsole等）において使用される。

変位可能に固定され、かつねじりばねに関連して左右非対称に配置されたサイズモ質量体を利用したＺセンサを用いて直線的に加速度を検出することは公知である（ヨーロッパ公開特許第０７７３４４３号明細書）。

Ｚセンサに設けられたサイズモ質量体は、多くの場合、トレンチエッチング技術によって形成されたロッカレバー構造（以下ではロッカレバーと呼ぶ）より成っており、このロッカレバーは、Ｚ方向の加速度において、その左右非対称の質量体分布に基づいて、ねじりばねによって規定された回転軸線を中心として回転、かつ変位せしめられる。フリーエッチングされたロッカレバーの下には複数の電極が配置されており、これらの電極は、基板上の薄い導電性の層によって形成され、サイズモ質量体と共に、１つの差動キャパシタを形成している。ロッカレバーの機械的な変位は、各キャパシタ領域の容量変化を生ぜしめ、この容量変化が差動信号として評価回路によって検出され、処理される。

加速度センサにおいては一般的に、テスト信号によってサイズモ質量体の可動性及びセンサの機能性の検査が行われ、場合によっては較正が行われる。この場合、キャパシタ電極にテスト電圧を印加することによって、加速度に等しい、サイズモ質量体の変位を生ぜしめる静電的な力が生ぜしめられる。

技術的に限定されて、プロセス中に、フリーエッチングされた表面上に負荷が生ぜしめられる。これらの負荷は、一部は定置であって、サイズモ質量体と平行に延在する電極面との間の領域内に残存し、それによって永久的な静電力を生ぜしめ、これがサイズモ質量体の変位エラーを生ぜしめ、また加速度を考慮することなしにセンサ信号を生ぜしめることになる。このような「ゼロ点信号」（出力信号のオフセットとも呼ばれている）は、一般的な形式で評価回路において調整される。

しかしながら、当該面上の負荷密度が変化すると問題が生じる。これは例えば高い温度（１００℃以上の範囲）によって、又は劣化プロセスによって生ぜしめられる。この場合、オフセットドリフト（オフセット変動）に直接関連した表面負荷変動が生じる。永久的な監視及び補整のためには高い費用が必要となる。

横方向の加速度センサ（いわゆるＸセンサ）の出力信号に作用する変動する表面負荷を、キャパシタを形成する電極に、インテリジェントなサイクル形式に従って脈動する電圧を印加することによって、減少させることは公知である（ドイツ連邦共和国特許公告第１０３５０５３６号明細書）。

しかしながらこの方法は、幾何学的な周辺条件として、負荷された領域が十分に左右対称であることを前提しているので、左右非対称のロッカレバーを有するＺセンサにおいては、差動キャパシタに所属する電極の領域内においてしか用いることができない。

しかしながらロッカレバーの左右非対称を形成する外側の面領域は、特別なてこ比に基づいてロッカレバーを大きく傾倒させることになる。この面領域内における表面負荷の密度が変化すると、出力信号若しくはテスト信号レスポンスの変動に特に強く作用する。
ヨーロッパ公開特許第０７７３４４３号明細書 ドイツ連邦共和国特許公告第１０３５０５３６号明細書

そこで本発明の課題は、マイクロマシン構造の慣性センサ特にＺセンサの出力信号に作用する、変動する表面負荷の影響を低下させる可能性を提供することである。

この課題を解決した本発明の慣性センサによれば、マイクロマシン構造の慣性センサであって、基板に対して相対的に変位可能な少なくとも１つのサイズモ質量体と少なくとも１つの電極面とを備えており、該電極面が、少なくともサイズモ質量体の部分と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に基づく容量を有する少なくとも１つのキャパシタを形成している形式のものにおいて、少なくとも１つの別の補助電極が設けられていて、該補助電極がキャパシタを形成する領域の外側に位置していて、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定可能であることを特徴としている。

請求項２乃至４には、本発明によるセンサの有利な実施態様が記載されている。

請求項５には、本発明によるセンサを運転するために適した方法について記載されている。この方法によれば、ねじりばねを中心にして回転可能な左右非対称なロッカレバーとして構成されたサイズモ質量体を備えたマイクロマシン構造のＺセンサの出力信号における変動する表面負荷の影響を低下させるための方法において、前記Ｚセンサ内で回転軸線に関連して左右対称なロッカレバーの面領域を、左右対称の少なくとも１つの電極対に対して平行に延在させ、該電極対と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に関連した容量を有するキャパシタを形成し、ロッカレバーの少なくとも１つの別の面領域を、キャパシタに所属する前記電極の、定置の基板に関連して外側に位置する補助電極に向き合って配置し、この際に、少なくとも１つのキャパシタの容量を評価することによってＺ方向の加速度を測定し、少なくともこの加速度の測定中に前記補助電極を、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定するようにした。
請求項６乃至１０には、本発明による方法の有利な実施態様が記載されている。

本発明によるマイクロマシン構造の慣性センサは、基板に対して相対的に変位可能な少なくとも１つのサイズモ質量体と少なくとも１つの電極面とを備えており、該電極面が、少なくともサイズモ質量体の部分と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に基づく容量を有する少なくとも１つのキャパシタを形成しており、この場合、少なくとも１つの別の補助電極が設けられていて、該補助電極がキャパシタを形成する領域の外側に位置していて、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定可能となっている。補助電極におけるこのような電位は、サイズモ質量体における変化する表面負荷密度に基づいてサイズモ質量体が変位する際の、表面負荷密度の依存性を低下させる。

特に効果的な構成によれば、前記センサがＺセンサとして構成されていて、ねじりばねを中心にして回転可能な左右非対称のロッカレバーを有しており、回転軸線に関連して左右対称の、ロッカレバーの面領域が、前記基板に堅固に結合された少なくとも１つの左右対称の電極対に対して平行に延在していて、この電極対と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に関連した容量を有するキャパシタを形成しており、ロッカレバーの少なくとも１つの別の面領域が補助電極に向き合って位置しており、該補助電極が、定置の基板に関連して、キャパシタに所属する領域の外側に位置していて、回路技術的に、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定可能である。本発明の核心は、これによって、補助電極を、マイクロマシン装置の基板と左右非対称のロッカレバーとの間にある、別個に調節可能な電位に設定し、この電位は、ロッカレバーの面領域が、加速度測定のために必要なキャパシタを形成する領域の外側に向き合っているという点にある。

有利な形式で、Ｚ方向における加速度の測定は、左右対称に配置された２つのキャパシタの容量を評価することによって行われ、この場合、これら２つのキャパシタは、１つの差動キャパシタを形成し、差動容量式の測定原理に従って評価を行う。

差動キャパシタの領域の外側における表面負荷によって発生する静電的な力作用は、補助電極における適当な電位を著巣悦することによって低下させることができる。補助電極に印加した電位を加速度の測定中に一定に維持するようにすれば、本発明による方法を特に簡単に実施することができる。さらにまた、補助電極に印加した電位を永久的に印加した状態に維持すれば、有利であることが分かった。前記補助電極に印加した電位を、サイズモ質量体の電位に対して少なくとも５０ｍＶだけ異なるように、調節すれば、本発明による方法の良好な効果性が得られる。

前記補助電極に印加した電位は、有利な形式で、測定しようとする加速度の影響を受けることなしにＺセンサの出力において最少のオフセット値が得られるように、調節することができる。これは例えば、補助電極に印加しようとする電位を次のように調節することによって得られる。つまり、Ｚセンサの出力信号が、補助電極に印加された負のテスト電圧において、正のテスト電圧において、及びテスト電圧の印加が行われない状態で、相次いで規定され、それによって得られた支持箇所を通って延在する二次効果が算出されることによって得られる。この二次効果は、Ｚセンサの出力信号を、補助電極において印加された電圧に基づいて形成し、このようにして得られた放物線の頂点に属する電圧値が検出され、サイズモ質量体と補助電極との間の電位差として印加される。

少なくとも加速度の測定中に、キャパシタに所属する左右対称の電極対の電極を、差動キャパシタ式の測定原理に従って脈動する電位によって負荷し、この脈動の連続が測定脈動及び補整脈動を有するようにし、また本発明に従って配線された補助電極が、キャパシタに所属する左右対称の電極に向き合っていないロッカレバーの面領域が、基板をできるだけ完全に遮蔽するようにすれば、表面負荷の変動の妨害的な影響を、特に効果的に減少させることができる。これによって、インテリジェントなサイクル形式によって保護されていない領域においても、変化する表面負荷の影響が最小限になる。左右対称の電極装置の脈動の利点は、ドイツ連邦共和国特許公告第１０３５０５３６号明細書に記載されている。

補助電極の面が、キャパシタに所属する電極に向き合っていない、サイズモ質量体の基板側の面の少なくとも８０％であれば、本発明による装置の良好な効果が得られる。

図示の実施例を用いて本発明の方法を詳しく説明する。

本発明の実施例
図１は、本発明によるマイクロマシン構造の慣性センサの概略図を示す。この慣性センサは、基板１と、この基板１に対して相対的に変位可能なサイズモ質量体（振動の加わった質量）２と、面状の（フラットな）電極３とを有している。この面状の電極３は、回路技術的にサイズモ質量体２の複数の部分と第１の領域４と共に、サイズモ質量体の変位とは無関係な容量を有する少なくとも１つのキャパシタを形成する。しかも、少なくとも１つの別の補助電極５が設けられており、この補助電極５は、キャパシタを形成する領域４の外側に位置していて、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定される。

図２には、従来形式のＺセンサの概略的な断面図が示されている。このＺセンサは、サイズモ質量体としての非対称的なロッカレバー２′を有しており、このロッカレバー２′は、ねじりばね６を介して、多結晶シリコンより成る基板１に機械的に接続されている。ロッカレバー２′は、測定しようとする加速度が発生した時に基板１に対して垂直に変位させるために、十分な間隔を保って基板１に対して平行に延在している。ロッカレバー２′の下側の領域内において、電極が基板１上に位置している。電極３，３′は、それぞれこれらの電極３，３′に向き合う、ロッカレバー２′の面領域と共に、測定コンデンサとして用いられるプレートキャパシタを形成しており、このプレートキャパシタの容量は、ロッカレバー２′と電極３，３′との間のそれぞれの間隔に基づいている。左右対称の電極構造によって、差動キャパシタとして評価及び回路が可能である。この場合、サイズモ質量体つまりロッカレバー２′の傾斜が、２つの部分容量間の差動信号に２つの部分容量間の差動信号に変換される。回路技術的に制限されて、ロッカレバー２′は、平均的な電位いわゆる中間質量体上に位置していて、これに対して基板１は質量体上に保持される。ロッカレバー２′と基板１とが接触する（これはセンサの過負荷において発生する）際に、短絡を避けるために、ロッカレバー２′の縁部領域を遮蔽するために、ロッカレバー２′の電位に維持される別の電極７，８が基板１上に配置されている。電極３，３′，７，８は基板１に対して絶縁されている。

図３には、本発明によるＺセンサの電極装置が示されている。ロッカレバー２′の輪郭は破線で示されている。差動キャパシタの一般的な構成部分を形成する電極３，３′の左右対称配置は変わっていない。この左右対称に構成された領域に、別個の調節可能な電位に設定された補助電極５が接続され、この補助電極５は、ロッカレバー２′と基板１との間に位置していて、キャパシタに所属する、ほぼ電極３，３′によって制限される領域の外側に存在するロッカレバー２′の面領域に向き合っている。ロッカレバー２′の外側の縁部領域の下側に、短絡及び放電防止手段として働く電極７，８が、中間質量体電位にある。これらの電極７，８は、ロッカレバー２′の長方形の形状に適合されていて、図示の実施例では、定置の回転軸線９と協働して、ロッカレバー電位とは異なる電位にある面とロッカレバーｂ２′との接触を阻止する。しかしながら、具体的なロッカレバー輪郭形状とは無関係に、このような形式の電極７，８をサイズモ質量体２のためのストッパとして用いられるマイクロマシン構造の領域内に配置することが重要である。サイズモ質量体２を停止させる際に、サイズモ質量体２がこれらの電極７，８上に支えられ、回路技術的にサイズモ質量体の電位に位置する。

本発明によれば、補助電極５は直流電圧電位にある。直流電圧電位は、縁電極７，８及びロッカレバー２′がある中間質量体電位の高さに相当し、それと同時に、表面負荷に等しいが逆の正負符号（正又は負の符号）を有する電圧の高さに相当する電圧（以下では補整電圧と呼ぶ）に相当する。調整は、センサに所属する制御及び評価回路（大抵の場合、ＡＳＩＣの形状である）における調整によって行われる。ドリフト（変動）プロセス終了後に、オフセットの完全な補整が、最初に調節された補整電圧によってもはや得られない場合でも、１回の調整によって、ドリフト（変動）する表面負荷の影響に対する本発明によるセンサの出力信号の感度を低下させることができる。

その根拠は図４に示されている。図４には、補整なしで駆動される本発明によるマイクロマシン構造の加速度センサのＺチャンネルのオフセット／表面負荷のシミュレートされた特性曲線が示されている。図４には、既に評価された出力信号のフフセット（ｇ）と電圧との関係が線図で示されている。この電圧は、サイズモ質量体における表面負荷電圧の大きさを表していて、それぞれ補助電極におけるオフセットの完全な補整のために必要とされる電圧の逆の正負符号に相当する。これは以下では、-U_kompで示されている。２つの値の間に一次関数的な関係は存在しないことが明である。特性曲線の傾斜は、ゼロ点において非常にフラット（平ら）であって、表面負荷密度が大きくなるにつれて増大する。高い表面負荷密度においては検出可能な有効電圧-U_kompは、発生した表面負荷電圧変動によって所定の値だけ変化すると、あたかも低い最初の表面負荷密度においてドリフトプロセスによって-U_kompの同じ変化が得られるように、出力信号のオフセットの著しく強い変動が生じる。同じことは、本発明によるセンサのテスト信号レスポンスのためにもあてはまる。安定した補整電圧を供給することによって、最初の表面負荷を有する任意の作業点が、特性曲線のフラットに延在する領域に移行することができる。ドリフトプロセスによる表面負荷密度の変化の遅れは、オフセットドリフトによって非常に弱く発生し、しばしば補整電圧を新たに適合させることなしに許容され得る。

マイクロマシン構造の加速度センサの使用中における最初の表面負荷の一部の表面負荷ドリフトが、実際的であることが明からである。これは従来では、耐用年数の安定性の精度に関する要求が高まっているために、多くの場合、受け入れることができないものであっって、また数日間に亘って高い温度にさらす人工的な劣化のプロセス段階を必要としており、そのために、このように処理されたセンサが別の方法の損傷を受ける危険性に結びついていた。本発明による補整されたセンサは、このような段階を省くことができる。通常運転中には考慮する必要のない著しく高いドリフト率においても、その結果として生じたオフセットドリフトが補整されていないセンサを介して著しく減少されることが明らかである。実際的なドリフト率において、本発明によるセンサのテスト信号レスポンスの変化及びオフセットドリフトは、要求された公差内にある。

しかも、補助電極５を中間質量体電位から分離したことによって、導線平面と基板１との間の寄生容量が著しく減少される。これは特にいわゆるシグマ・デルタ変換器（Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ−Ｗａｎｄｌｅｒ）を使用した場合に、本発明によるセンサを備えた回路装置の改善された信号雑音比を可能にする。

本発明によるセンサの概略的な側面図である。 従来技術によるＺセンサの概略的な断面図である。 本発明によるＺセンサの電極装置の平面図である。 補整なしで駆動されるマイクロマシン構造の加速度センサのＺチャンネルオフセット／表面負荷のシミュレートされた特性曲線を示す線図である。

符号の説明

１ 基板、 ２ サイズモ質量体、 ２′ ロッカレバー、 ３，３′ 電極、 ４ コンデンサ領域、 ５ 補助電極、 ６ ねじりばね、 ７，８ 縁電極、 ９ 回転軸線

Claims (10)

1. マイクロマシン構造の慣性センサであって、基板（１）に対して相対的に変位可能な少なくとも１つのサイズモ質量体（２）と少なくとも１つの電極面（３）とを備えており、該電極面（３）が、少なくともサイズモ質量体（２）の部分と共に回路技術的に、サイズモ質量体（２）の変位に基づく容量を有する少なくとも１つのキャパシタを形成している形式のものにおいて、
   少なくとも１つの別の補助電極（５）が設けられていて、該補助電極（５）がキャパシタを形成する領域（４）の外側に位置していて、サイズモ質量体（２）の電位とは異なる電位に設定可能であることを特徴とする、マイクロマシン構造の慣性センサ。
2. 前記センサがＺセンサとして構成されていて、ねじりばね（６）を中心にして回転可能な左右非対称のロッカレバー（２′）を有しており、回転軸線（９）に関連して左右対称の、ロッカレバー（２′）の面領域が、前記基板（１）に堅固に結合された少なくとも１つの左右対称の電極対（３，３′）に対して平行に延在していて、この電極対（３，３′）と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に関連した容量を有するキャパシタを形成しており、ロッカレバー（２′）の少なくとも１つの別の面領域が補助電極（５）に向き合って位置しており、該補助電極（５）が、定置の基板（１）に関連して、キャパシタに所属する領域（４）の外側に位置していて、回路技術的に、サイズモ質量体（２）の電位とは異なる電位に設定可能である、請求項１記載の慣性センサ。
3. サイズモ質量体（２，２′）のためのストッパとして用いられるマイクロマシン構造の領域内に別の電極（７，８）が配置されており、これらの別の電極（７，８）上にサイズモ質量体（２，２′）が停止時に支えられ、これらの別の電極（７，８）が回路技術的にサイズモ質量体（２，２′）の電位にある、請求項又は２記載の慣性センサ。
4. 補助電極（５）の面が、キャパシタに所属する電極（３，３′）に向き合っていない、サイズモ質量体（２，２′）の基板側の面の少なくとも８０％である、請求項１から３までのいずれか１項記載の慣性センサ。
5. ねじりばねを中心にして回転可能な左右非対称なロッカレバー（２′）として構成されたサイズモ質量体を備えたマイクロマシン構造のＺセンサの出力信号における変動する表面負荷の影響を減少させるための方法において、前記Ｚセンサ内で回転軸線（９）に関連して左右対称なロッカレバー（２′）の面領域を、左右対称の少なくとも１つの電極対（３，３′）に対して平行に延在させ、該電極対（３，３′）と共に回路技術的に、サイズモ質量体の変位に関連した容量を有するキャパシタを形成し、ロッカレバーの少なくとも１つの別の面領域を、キャパシタに所属する前記電極（３，３′）の、定置の基板（１）に関連して外側に位置する補助電極（５）に向き合って配置し、この際に、少なくとも１つのキャパシタの容量を評価することによってＺ方向の加速度を測定し、少なくともこの加速度の測定中に前記補助電極（５）を、サイズモ質量体の電位とは異なる電位に設定することを特徴とする、マイクロマシン構造のＺセンサの出力信号における変動する表面負荷の影響を減少させるための方法。
6. 左右対称に配置された２つのキャパシタの容量を評価することによってＺ方向における加速度を測定し、これらのキャパシタを、これらのキャパシタが１つの差動キャパシタを形成し、かつ差動容量式の測定原理に従って評価を実施するように、接続する、請求項５記載の方法。
7. 前記補助電極（５）に印加した電位を永久的に印加した状態に維持するか、又は少なくとも加速度の測定中に一定に維持する、請求項５又は６記載の方法。
8. 前記補助電極に印加した電位を、サイズモ質量体の電位に対して少なくとも５０ｍＶだけ異なるように、調節する、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記補助電極（５）に印加した電位を、測定しようとする加速度の影響を受けることなしにＺセンサの出力において最少のオフセット値が得られるように、調節する、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 少なくとも加速度の測定中に、キャパシタに所属する左右対称の電極対の電極（３，３′）を、差動キャパシタ式の測定原理に従って脈動電位によって負荷し、この脈動の連続が測定脈動及び補整脈動を有するようにする、請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。

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