JP2009139173A - Device and method for measuring capacity variation of microstructure - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、加速度センサや角速度センサなどの微小構造体の電極間の静電容量の変化を測定する微小構造体の容量変化測定装置および容量変化測定方法に関する。 The present invention relates to a capacitance change measuring apparatus and a capacitance change measuring method for a microstructure that measures changes in capacitance between electrodes of the microstructure such as an acceleration sensor and an angular velocity sensor.
近年、微小構造体デバイスとして、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical System)を使用した多軸加速度センサや多軸角度センサが、例えば自動車のエアーバッグの加速度センサなど多くの分野において多用されている。このような微小構造体の動作を確認するために、固定電極と可動電極との間の容量変化を測定することが行なわれている。 In recent years, for example, multi-axis acceleration sensors and multi-axis angle sensors using a micro electro mechanical system (MEMS) have been widely used as microstructure devices in many fields such as acceleration sensors for automobile airbags. In order to confirm the operation of such a microstructure, a change in capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is measured.
例えば、特開2000−55956号公報(特許文献1)には、微小容量を測定するシステムについて記載されている。特許文献1による微小容量の測定は、プローバを測定電極に接触させ、容量測定装置により静電容量を測定するものである。
特許文献1に記載されているようなプローバを測定電極に接触させる静電容量計測方法では、プローバのケーブル長や寄生容量などの影響を受けやすいという問題がある。また、微小構造体は、固定電極と可動電極との間の静電容量が高速で変化するので、プローバを用いた計測システムを微小容量の計測に適用した場合、計測時間の短縮が困難であるという問題もある。 In the capacitance measuring method in which a prober is brought into contact with a measurement electrode as described in Patent Document 1, there is a problem that the prober is easily affected by the cable length of the prober and parasitic capacitance. In addition, in the microstructure, the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode changes at a high speed, so it is difficult to shorten the measurement time when a measurement system using a prober is applied to the measurement of a minute capacitance. There is also a problem.
そこで、この発明は、静電容量の計測に比べて簡単な計測回路で微小容量の測定が可能な微小構造体の容量変化測定装置および容量変化測定方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a capacitance change measuring device and a capacitance change measuring method for a microstructure capable of measuring a minute capacitance with a simple measurement circuit as compared with capacitance measurement.
この発明は、固定部電極と、固定部電極に対向して配置され、固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを有する微小構造体の容量変化測定装置であって、固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段によって電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出された電流の時間変化に基づいて、固定部電極と可動部電極との間の静電容量の変化を検出する検出手段とを備える。 The present invention relates to a capacitance change measuring device for a microstructure having a fixed part electrode and a movable part electrode disposed opposite to the fixed part electrode and having a capacitance between the fixed part electrode and the fixed part electrode. A voltage applying means for applying a voltage between the partial electrode and the movable part electrode, and a current detecting means for detecting a current flowing between the fixed part electrode and the movable part electrode when a voltage is applied by the voltage applying means; And detecting means for detecting a change in capacitance between the fixed part electrode and the movable part electrode based on the time change of the current detected by the current detecting means.
この発明では、電流波形の変化に基づいて静電容量の変化を検出できるので、プローブ等により静電容量を検出するものに比べて、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがない。 In the present invention, since the change in capacitance can be detected based on the change in the current waveform, it is not affected by the cable length or parasitic capacitance compared to the case where the capacitance is detected by a probe or the like.
好ましくは、容量変化検出手段は、微小構造体の正常動作時における静電容量に対応する所定の範囲内の測定値を記憶しており、測定時の測定値が記憶している測定値の範囲内にあるかどうかにより、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを検出する。 Preferably, the capacitance change detecting means stores a measured value within a predetermined range corresponding to the capacitance during normal operation of the microstructure, and the measured value range stored by the measured value at the time of measurement is stored. It is detected whether or not the microstructure operates normally depending on whether or not it is inside.
予め記憶している範囲内の測定値と、測定した微小構造体の測定値とを比較することにより、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを判断できる。 By comparing the measured value within the range stored in advance with the measured value of the microstructure, it can be determined whether or not the microstructure operates normally.
好ましくは、記憶している所定の範囲内の測定値は、微小構造体の正常動作時における、電流波形に対する波形の変形量の差、歪量の差、電流波形のピーク値に対する電圧差、電流波形に対する位相差のいずれかである。 Preferably, the memorized measurement value within the predetermined range is the difference in the amount of deformation of the waveform with respect to the current waveform, the difference in the amount of distortion, the voltage difference with respect to the peak value of the current waveform, the current during the normal operation of the microstructure. One of the phase differences with respect to the waveform.
これらの測定値のいずれかにより微小構造体が正常に動作しているかを判断できる。 It can be determined whether the microstructure is operating normally from any of these measured values.
好ましくは、電圧印加手段は、時間的にレベルが変化する交流電圧を固定部電極と可動部電極との間に印加する。 Preferably, the voltage applying means applies an AC voltage whose level changes with time between the fixed part electrode and the movable part electrode.
交流電圧として、正弦波、三角波、鋸止状波などを利用できる。 As an AC voltage, a sine wave, a triangular wave, a sawtooth wave, or the like can be used.
この発明の他の局面は、固定部電極と、固定部電極に対向して配置され、固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを含む微小構造体の容量変化測定方法であって、固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加するステップと、電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出するステップと、検出された電流の時間変化に基づいて、固定部電極と可動部電極との間の静電容量の変化を検出するステップとを備える。 Another aspect of the present invention is a capacitance change measuring method for a microstructure including a fixed part electrode and a movable part electrode disposed opposite to the fixed part electrode and having a capacitance between the fixed part electrode. A step of applying a voltage between the fixed portion electrode and the movable portion electrode, a step of detecting a current flowing between the fixed portion electrode and the movable portion electrode when the voltage is applied, and And detecting a change in capacitance between the fixed part electrode and the movable part electrode based on the time change of the current.
この発明の方法によっても、電流波形の変化に基づいて静電容量の変化を検出できるので、プローブ等により静電容量を検出するものに比べて、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがない。 Also according to the method of the present invention, since the change in capacitance can be detected based on the change in the current waveform, it is not affected by the cable length or parasitic capacitance compared to the case where the capacitance is detected by a probe or the like. .
好ましくは、検出した静電容量の変化が、予め記憶している微小構造体の正常動作時における測定値内であるかどうかに基づいて、当該測定している微小構造体が正常に動作するかどうかを判断する。 Preferably, based on whether or not the detected change in capacitance is within the measurement value of the microstructure stored in advance during normal operation, whether the microstructure being measured operates normally Judge whether.
この例においても、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを判断できる。 Also in this example, it can be determined whether or not the microstructure operates normally.
固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加し、電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出し、検出した電流の変化に基づいて、微小構造体の容量変化を測定するようにしたので、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがなく、簡単な構成で微小容量の計測が可能になり、動作検出が容易になる。 A voltage is applied between the fixed part electrode and the movable part electrode, and when a voltage is applied, a current flowing between the fixed part electrode and the movable part electrode is detected, and a minute amount is determined based on the detected change in the current. Since the change in the capacitance of the structure is measured, it is not affected by the cable length or parasitic capacitance, and it is possible to measure a minute capacitance with a simple configuration, thereby facilitating operation detection.
図1はこの発明の一実施例における微小構造体の容量変化測定装置を示すブロック図であり、図2はバイアス電位と容量変化を示す波形図である。図1において、微小構造体1は、例えば外部から速度が加えられると加速度を検出する加速度センサなどである。微小構造体1は、第1電極2および第2電極3を含む固定部電極4と、固定部電極4に対向して配置される可動部電極5とを含む。微小構造体1は、可動部電極5と固定部電極4とが水平となるように配置され、可動部電極5は、加速度あるいは振動が加えられると共振する。固定部電極4の第2電極3と可動部電極5との間から共振信号が検出信号として取出される。
FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus for measuring a change in capacitance of a microstructure in one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram showing changes in bias potential and capacitance. In FIG. 1, a microstructure 1 is, for example, an acceleration sensor that detects acceleration when a speed is applied from the outside. The microstructure 1 includes a
電圧印加手段として作動するバイアス発生回路20から、動作確認のために、図2(A)に示す正弦波のバイアス信号に基づくバイアス電位aが電流検出手段として作動する電流測定回路30を介して、微小構造体1の第1電極2と可動部電極5との間に印加される。バイアス電位に応じて、可動部電極5が変位し、その変位に応じた図2(B)に示す静電容量の容量変化bが検出信号として固定部電極4の第2電極3と可動部電極5との間から取出されて、検出信号が検出回路50に与えられる。検出回路50は静電容量の変化を電圧信号の変化に変換して、固定部電極4の第2電極3と可動部電極5との間の容量変化に対応する電圧信号を出力する。
A bias potential a based on a sine wave bias signal shown in FIG. 2A is supplied from a
電流測定回路30は、バイアス発生回路20から第1電極2と可動部電極5との間にバイアス信号が印加されたときに、第1電極2と可動部電極5との間に流れる電流を測定する。測定された電流測定信号は、容量変化検出手段として作動する電流変化検出判別回路40に与えられる。電流変化検出判別回路40は、FFT(Fast Fourie Transform:高速フーリエ変換)による周波数解析や歪率計による歪率測定などで構成される。
The
図3は図1に示した微小構造体1の構造を示す図であり、(A)は平面図を示し、(B)は図3(A)の線IIIB−IIIBから見た断面図である。図3(B)に示す基板10上に酸化絶縁膜11が形成されており、微小構造体1は、酸化絶縁膜11上に形成されている。
3A and 3B are diagrams showing the structure of the microstructure 1 shown in FIG. 1, FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line IIIB-IIIB in FIG. . An
すなわち、図1に示した可動部電極5は、図3において櫛歯状電極が接続される可動部電極の錘部51と、可動部電極の錘部51の長手方向に対して直交する一方方向に櫛歯状に延びる複数の可動部櫛歯状電極52と、他方方向に延びる複数の可動部櫛歯状電極53と、可動部電極の錘部51の両端を支持する可動部バネ54,55と、可動部バネ54,55を固定するアンカー部56,57とを含む。アンカー部56,57は酸化絶縁膜11上に形成されているが、可動部バネ54,55と、可動部電極の錘部51および複数の可動部櫛歯状電極52,53は酸化絶縁膜11に固定されていないので、速度が加えられると可動または変位する。
That is, the
固定部電極4の第1電極2と、第2電極3は、それぞれが分離して設けられており、可動部電極5を挟むように酸化絶縁膜11上に形成されている。第1電極2は可動部電極5の可動部電極の錘部51の一方側から延びる複数の可動部櫛歯状電極52の間に位置する櫛歯状部21を含む。第2電極3は可動部電極5の可動部電極の錘部51の他方側から延びる複数の可動部櫛歯状電極53の間に位置する固定部櫛歯状部31を含む。
The
櫛歯状部21と可動部櫛歯状電極52との間隔は、上段のギャップG2が広く下段のギャップG1は狭くなるよう配置されている。逆に、固定部櫛歯状部31と可動部櫛歯状電極53との間隔は、上段が狭く下段は広くなるよう配置されている。電極間容量値は電極間距離が狭い方が大きく、また同じ距離変化では元々電極間距離が狭い方が大きく容量値が変化する。したがって、櫛歯状部21と可動部櫛歯状電極52と容量値の変化は、下段の電極間距離の変化が支配的に影響する。逆に,固定部櫛歯状部櫛歯状部31と可動部櫛歯状電極53と容量値の変化は、上段の電極間距離の変化が支配的に影響する。
The interval between the comb-
可動部電極の錘部51の長手方向に対して加速度がかかり、可動部電極の錘部51および可動部櫛歯状電極52,53が慣性力で紙面上方向に変位した場合、櫛歯状部21と可動部櫛歯状電極52との間の容量値は増加し、逆に、固定部櫛歯状部31と可動部櫛歯状電極53との間の容量値は減少する。両者の容量値の差分をモニターしておけば、慣性力による可動部の変位、すなわち加速度の指標がモニターできる。これが加速度センサとしての微小構造体1の動作である。
When acceleration is applied to the longitudinal direction of the
第1電極2の一端にはバイアス印加パッド22が形成されており、第2電極3の一端には検出電極パッド32が形成されており、可動部電極5のアンカー部57には可動部検出パッド58が形成されている。これらのパッド22,32,58には図示しないプローブカードのプローブ針が接触して、バイアス信号を印加したり、検出信号が取出されたりする。
A
図1に示したバイアス発生回路20から出力されたバイアス出力は、バイアス印加パッド22と可動部検出パッド58に接続され、櫛歯状部21と可動部櫛歯状電極52とにバイアスが印加される。検出回路50の信号入力は、検出電極パッド32と可動部検出パッド58に接続される。第1電極2と可動部電極5との間にバイアス信号を印加すると、可動部電極5が変位し、第2電極3と可動部電極5との間の静電容量が変化し、可動部電極5の変位に応じた検出信号が現れる。
The bias output outputted from the
図4は、バイアス電位を印加したときに電極間距離が変わらない場合の電圧Vと電流Iの波形を示す波形図であり、横軸は時間t(sec)を示し、左縦軸はバイアス電位V(V)を示し、右縦軸は電流I(A)を示している。 FIG. 4 is a waveform diagram showing waveforms of voltage V and current I when the distance between the electrodes does not change when a bias potential is applied. The horizontal axis indicates time t (sec), and the left vertical axis indicates the bias potential. V (V) is shown, and the right vertical axis shows the current I (A).
図5は、バイアス電位V(V)の波形と、クーロン力により第1電極2と可動部電極5との間に働く力F(N)を示す波形図であり、横軸は時間t(sec)を示し、左縦軸はバイアス電位V(V)を示し、右縦軸はクーロン力F(N)を示している。
FIG. 5 is a waveform diagram showing the waveform of the bias potential V (V) and the force F (N) acting between the
図6は、可動部電極5が引き寄せられることによる櫛歯状部21と共振ビーム52との間のギャップG(d)と静電容量C(F)との変化示す波形図であり、横軸は時間t(sec)を示し、左縦軸は静電容量C(F)を示し、右縦軸はギャップG(d)を示している。
FIG. 6 is a waveform diagram showing changes in the gap G (d) and the capacitance C (F) between the comb-
図7は、正弦波信号のバイアス電位V(V)が印加されたときに流れる電流I(A)の波形と、歪を生じた電流I2(A)の波形を示す波形図であり、横軸は時間t(sec)を示し、左縦軸は電流I(A)を示している。 FIG. 7 is a waveform diagram showing the waveform of the current I (A) flowing when the bias potential V (V) of the sine wave signal is applied and the waveform of the distorted current I2 (A). Indicates time t (sec), and the left vertical axis indicates current I (A).
次に、図4から図7を参照してこの発明の一実施例における微小構造体の容量変化測定装置1の動作について説明する。図1に示したバイアス発生回路20から、例えば周波数1kHzの正弦波で、5Vのバイアス電位を第1電極2と可動部電極5との間に印加した場合、可動部電極5が変位しなければ、第1電極2と可動部電極5との間の容量がコンデンサとして機能するため、図4に示すように電流I(A)の波形は電圧V(V)の波形に対して90度位相が進み、振幅が一定、周期は1kHzの波形となる。
Next, with reference to FIGS. 4 to 7, the operation of the capacitance change measuring apparatus 1 for a microstructure in one embodiment of the present invention will be described. For example, when a bias potential of 5 V is applied between the
このとき、バイアス電位Vが第1電極2と可動部電極5との間に印加されることにより、クーロン力により可動部電極5に力F(N)が作用する。この力F(N)は次式で示される。次式において、dはギャップ間の距離、Sは可動部電極5の面積である。
At this time, the bias potential V is applied between the
バイアス電位V(V)の変化と、クーロン力による力F(N)は、図5に示すように、バイアス電位V(V)の変化にほぼ追従して変化するので、共振しなくともクーロン力による力F(N)に応じてギャップ間の距離が変化する。バイアス電位V(V)の周波数fが微小構造体1の可動部電極5の共振周波数と一致すると、可動部電極5の変位量が大きくなるので、第1電極2と可動部電極5との間の容量変化が大きくなり、電流波形の変化が大きくなるが、これは付随的な効果である。
As shown in FIG. 5, the change in the bias potential V (V) and the force F (N) due to the Coulomb force change almost following the change in the bias potential V (V). The distance between the gaps changes in accordance with the force F (N) due to. When the frequency f of the bias potential V (V) coincides with the resonance frequency of the
可動部電極5に力F(N)が作用すると、可動部電極5は可動部バネ54,55による一定のバネ定数に基づいて変位するので、図3に示した第1電極2の櫛歯状部21と可動部電極5の可動部櫛歯状電極52との間のギャップG1,G2が変化する。可動部バネ54,55のバネ定数が大きければ、図6に示すギャップGの立上がり立下りが急峻になる。可動部電極5の可動部櫛歯状電極52が第1電極2の櫛歯状部21に引き寄せられることによるギャップG(d)と静電容量C(F)の変化は次式で示される。
When a force F (N) is applied to the
また、図6に示すように、静電容量C(F)とギャップG(d)とが時間的に変化する。図6に示すように、ギャップG(d)が小さければ静電容量C(F)が大きくなり、ギャップG(d)が大きければ静電容量C(F)が小さくなる。 Further, as shown in FIG. 6, the capacitance C (F) and the gap G (d) change with time. As shown in FIG. 6, the capacitance C (F) is increased when the gap G (d) is small, and the capacitance C (F) is decreased when the gap G (d) is large.
バイアス電位V(V)の変化に伴って静電容量C(F)が変化すると図7に示すように、電流I2(A)に歪が生じる、図7に示す電流I(A)はバイアス電位V(V)が正弦波のときに流れる電流波形である。 When the capacitance C (F) changes with the change of the bias potential V (V), as shown in FIG. 7, the current I2 (A) is distorted. The current I (A) shown in FIG. This is a current waveform that flows when V (V) is a sine wave.
図1に示した電流測定回路30は、図7に示す歪を生じた電流I2(A)を測定し、電流変化検出判別回路40は測定した電流に基づいて、微小構造体1がバイアス電位、すなわちクーロン力によって、可動部バネ54,55による所定のバネ定数に基づいて変化しているかどうかを判別する。電流波形の変化の検出および判別には、例えばFFTによる周波数解析、歪率計による歪率の計測を適用できる。
The
電流変化検出判別回路40は、予め正常に動作する微小構造体1の正常と判定可能な範囲内の静電容量値に対応した、電流波形に対する波形の変形量の差、歪量の差、電流波形のピーク値に対する電圧差、電流波形に対する位相差などのいずれかを記憶しており、検査時に検査対象の微小構造体1の測定した測定値が、記憶されている値の範囲内にあるかどうかを判別すれば、検査対象の微小構造体1が正常であるかどうかを判別できる。
The current change
なお、バイアス電位V(V)として、直流電圧または矩形波を第1電極2と可動部電極5との間に印加した場合、直流電圧を印加すると微小構造体1の第1電極2と可動部電極5との間で形成される静電容量C(F)に電荷がチャージされる間、一定の時定数をもった電流が流れる、この過程で第1電極2と可動部電極5との間にクーロン力F(N)が発生し、可動部電極5が変位する場合としない場合とで、電流が減少する時定数に変化が生じる。この電流波形の変化から微小構造体が電圧、すなわちクーロン力F(N)によって所定のバネ定数に基づいて変化しているかどうかを検出できる。
When a DC voltage or a rectangular wave is applied between the
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.
1 微小構造体、2 第1電極、3 第2電極、4 固定部電極、5 可動部電極、10 基板、11 酸化絶縁膜、20 バイアス発生回路、21,31 櫛歯状部、22 バイアス印加パッド、30 電流測定回路、40 電流変化検出判別回路、32 検出電極パッド、50 検出回路、51 可動部電極の錘部、52,53 可動部櫛歯状電極、54,55 可動部バネ、56,57 アンカー部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro structure, 2 1st electrode, 3 2nd electrode, 4 Fixed part electrode, 5 Movable part electrode, 10 Substrate, 11 Oxide insulating film, 20 Bias generation circuit, 21, 31 Comb-like part, 22 Bias application pad , 30 Current measurement circuit, 40 Current change detection discrimination circuit, 32 Detection electrode pad, 50 Detection circuit, 51 Weight part of movable part electrode, 52, 53 Movable part comb-like electrode, 54, 55 Movable part spring, 56, 57 Anchor part.
Claims (6)
前記固定部電極と前記可動部電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段によって電圧を印加したときに、前記固定部電極と前記可動部電極との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された電流の時間変化に基づいて、前記固定部電極と前記可動部電極との間の静電容量の変化を検出する容量変化検出手段とを備える、微小構造体の容量変化測定装置。 Capacitance change measurement for measuring a change in capacitance of a microstructure including a fixed portion electrode and a movable portion electrode disposed opposite to the fixed portion electrode and having a capacitance between the fixed portion electrode and the fixed portion electrode. A device,
Voltage applying means for applying a voltage between the fixed part electrode and the movable part electrode;
Current detecting means for detecting a current flowing between the fixed part electrode and the movable part electrode when a voltage is applied by the voltage applying means;
Capacitance of the microstructure including a capacitance change detecting means for detecting a change in capacitance between the fixed part electrode and the movable part electrode based on a time change of the current detected by the current detecting means. Change measuring device.
前記固定部電極と前記可動部電極との間に電圧を印加するステップと、
前記電圧を印加したときに、前記固定部電極と前記可動部電極との間に流れる電流を検出するステップと、
前記検出された電流の時間変化に基づいて、前記固定部電極と前記可動部電極との間の静電容量の変化を検出するステップとを備える、微小構造体の容量変化測定方法。 A capacitance change measurement method for a microstructure including a fixed part electrode and a movable part electrode disposed opposite to the fixed part electrode and having a capacitance between the fixed part electrode,
Applying a voltage between the fixed part electrode and the movable part electrode;
Detecting a current flowing between the fixed part electrode and the movable part electrode when the voltage is applied;
And detecting a change in capacitance between the fixed part electrode and the movable part electrode based on the time change of the detected current.
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