JP2010506182A - 加速度検出センサー - Google Patents

Abstract

この発明はセンサーに作用する加速度を検出するためのセンサーに関し、基板(3)と、加速度の存在下で慣性質量として働く質量ユニット(9)と、センサーに働く加速度によって、前記質量ユニットが前記基板に対して回転可能である少なくとも１つのピボット軸(y；z)が規定されるように、質量ユニットが前記基板に連結され、及び、それぞれのピボット軸から離間した重心(4)を有する質量ユニットと、前記質量ユニットと前記基板との間の変位が検出される、少なくとも１つの検出ユニット(11；15)とを有し、前記検出ユニットが、前記質量ユニットのひずみが前記検出ユニットに伝達されないように、前記質量ユニットに関して配置されることを特徴とする。好ましくは２つの検出ユニットが備えられる。センサーにおける第１の方向に働く加速度によって生じる、前記質量ユニットと前記基板との間の変位は、これらのユニットのうちの１つを使用して検出可能であり、他のユニットは、センサーにおける第２の方向に働く加速度によって生じる、質量ユニットと基板との間の変位を検出可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、１つ又は２つの軸方向の加速度を検出するためのセンサーに関し、特にマイクロメカニクスセンサーに関する。

このようなマイクロメカニクスセンサーは、回転運動及び並進運動の加速度を検出することで知られている。マイクロメカニクスセンサーは、通常従来からのエッチング技術に基づいて、例えばシリコン製のウエハから加工され、加速度センサーとして使用される場合に、その加速度を検出するシステムに堅く結合されている支持構造を形成している基板を通常備えている。基板は、加速度を検出するセンサーの基準系を通常表している。質量ユニットは、支持構造により弾性的に基板と結合され、対称的に又は非対称的に配置される。前者の場合には、例えば、H. Lakdawala et al., J. Micromech. and Microeng. 14 (2004) 559-566に参照されるように、基板は、その外側に配置されている４つのアンカーでスプリングを介して中心部につるされている。後者の場合には、センサーに作用している加速度のために、質量ユニットが基板に対して回転することに基づいて、ピボット軸が規定される。このとき、質量ユニットは、そのピボット軸から重心が外れるように、配置される。さらに、それぞれの場合において、センサーに加速度が働くことにより生じる、質量ユニットと基板との間の位置変化を検出可能な手段として、センサーは少なくとも１つの検出ユニットを備える。

質量ユニットの重心は、例えば、質量ユニットがピボット軸に関して軸非対称に配置される方法、又は、質量ユニットが比重の異なる物質から形成される方法で、ピボット軸から外れるように規定される。質量ユニットは、フレーム構造が棒状の構成要素のウエハで形成されるような従来の方法で、対応する検出ユニットと結合される。

慣性質量を形成している質量ユニットは、その非対称形状や、材料の相違やカバー層の存在による異なる膨張挙動のために、比較的強い形状固有熱膨張挙動を有する点で不利である。さらに、製造時にもたらされた応力がウエハ材料及びその他の材料に存在するが、その応力はセンサーの形状を介して解放される（H. Lakdawala参照。）。このことは、質量ユニットの形状が加速度を正確に検出するために要求される形状から外れていることを意味し、特に温度変化が大きいほどそれは増大する。この場合、質量ユニットは一様に膨張せず、膨張の仕方は領域毎に全く異なる。それ故に質量ユニットにおける、内部応力と形状固有熱膨張挙動とは、特に質量ユニットに捻じれやひずみを起こすことになり、それがセンサーにおける主の延在面を部分的にかなりたわませることになるかもしれない。

質量ユニットの形状や膨張に不均一な変化が生じると、質量ユニットとセンサーにおける残りの部品とを結合している構造にそれが伝えられ、特に質量ユニットと基板との間の位置変化を検出するための検出ユニットに伝えられる点で不利である。したがって、温度依存測定差と明白な測定誤差とがある程度生じる。これらの影響は、小さい加速度を検出するための加速度センサーにとって特に厄介である。類似した材料を使用して、センサーの構造を特定の配置にすることで、０Ｇの加速度でも全温度範囲に渡って強い変化を生じさせ、それによって、事実上不可能な検出を調整している。

上述した先行技術及びその欠点に基づいて、本発明の課題は、加速度検出センサーを提供することであり、特に上述したように、内部応力からの解放と温度に依存した不均一な膨張の発生とに基づく、測定記録の変動をほとんど生じないマイクロメカニクスセンサーを提供することである。好ましい実施形態において、このセンサーは、互いに直交する２つの軸に沿った加速度を検出するように形成される。

この課題は、質量ユニットのひずみが検出ユニットに伝達されないように、検出ユニットが質量ユニットに関して配置されていることを特徴とする請求項１の前文による、この発明に係るセンサーによって解決される。

この発明のセンサーは、並進運動及び回転運動の検出に好適に用いられる。検出ユニットが質量ユニットに独創的に配置されている結果、センサーにおける残りの部品から不均一なひずみ作用を受けている質量ユニットの減結合（デカップリング）が、達成される。この意味で、減結合は、質量ユニットにおける不均一なひずみがこの発明に係るセンサーにおける残りの領域に影響を及ぼさないように、質量ユニットが検出ユニットと結合されていることと理解され、測定結果が不用なものとして、又は少なくとも不正確なものとして廃棄されなければならないほど、測定結果がある意味で影響を受けたり、書き換えられたりしない。

この発明に係るセンサーにおけるピボット軸は、質量ユニットが回転可能な空間における仮想軸として理解される。ピボット軸は、例えば、ピボットなどのように、蝶番軸の形又は１つ以上の軸受構造の形のように物理的に備えられる必要はないが、このような物理的な軸受構造によって形成されても良いし、それらが同時に備えられても良い。ピボット軸は、支持構造の適切な配置と選択とによって規定されるのが好ましく、その点で支持構造は、検出される加速度の方向に沿って変位可能であるだけでなく、曲げ抵抗を有するバネアセンブリから構成されるのが好ましい。

この発明に係るセンサーにおける基板は、適切な方法で設置された機械ユニットであり、システムに作用している加速度が実質的に変らない方法で基板にほとんど伝達されるように、加速度が検出されるシステムと直接に又は間接に結合されている。基板は、測定されるシステムの基準点を表し、センサーにおける機能ユニットと結合される。基板は、好ましくは、ウエハから形成される構造の一部であり、センサーにおける機能ユニットを支持する。

この発明の好適な実施形態によると、質量ユニットは、円盤状要素として形成される。。この発明では、円盤状要素は実質的に互いに直交する方向に延在する要素として理解され、前記方向に直交する第３の方向への伸長は無視できるほど小さい。このような質量ユニットは、従来からのエッチング技術を用いて、対応する所望の材料であるウエハから、又は対応する所望の材料組成からマイクロメカニカル要素として、十分に製造可能である。その要素は、チップのようなウエハから形成されるセンサーに特によく利用される。円盤状質量ユニットは、形状変化可能に形成され、これらの形状変化は、その配置に関係なく検出ユニットに伝達されず又は伝導されないので、その場でひずみが生じる可能性がある。

この発明は、さらに質量ユニットが各ピボット軸に関して軸非対称に形成されることを提案する。このような質量ユニットはそのピボット軸からはずれた重心を有する面状ユニットとして特に効率的に製造可能である。ピボット軸から重心までの距離は、質量ユニットの幾何学的形状のみによって決定されるのが好ましく、そうすることによって、より高い密度を有すか又は厚みを増加させた材料を利用する場合のように、費用の増加する可能性のある追加的な方策が要求されることはない。

この発明における特に好ましい実施形態によると、質量ユニットは、各ピボット軸に関して軸対称になるように形成されたベアリング領域から構成され、そのベアリング領域に支持構造と少なくとも１つの検出ユニットとが配置されている。ベアリング領域は、そのピボット軸に関して軸対称になるように形成されているので、このベアリング領域を横切って不均一に生じ、かつ基板と検出ユニットとに伝達可能な、偽の測定結果を出すことになるひずみが実質的に生じることはない。この点で、ベアリング領域がすべての空間方向に対称的に形成される必要がないことが認識される。それどころか、非対称の結果として生じたひずみが検出ユニットに伝達されないようにベアリング領域が対称的に形成されることで十分である。

この発明のさらなる提案によると、質量ユニットは空洞を備え、そこにベアリング領域が配置される。その空洞は、質量ユニットにおけるその空洞の周りに、残っている材料から形成される閉鎖フレーム構造によって包囲されるように、質量ユニット内に形成されるのが好ましい。このようなフレームを形成する構造は、一方では、センサーにおける残っている要素に質量ユニットを結合させるための支持構造としての役割を果たし、他方では、質量ユニットにおける応力及びひずみを低減させるのに役立つ弾性構造を形成する。質量ユニットは、この閉鎖フレーム構造により高い安定性を有し、特にその平面方向のひずみが低減される。できるだけ対称的になるように質量ユニットが配置されること及びそのようなフレーム構造を有することによって、ウエハの平面の捻じれ及び歪曲といった非対称的なひずみを生じるのが効果的に防止される。

この発明のさらに好適な実施形態によると、ベアリング領域と質量ユニットとは、剛体ロッド又は棒状要素によって互いに結合される。この棒状要素は、質量ユニットのひずみ及び応力が、棒状要素に連結されないように又は実質的に低減される方法でのみ連結されるように、質量ユニットにおける空洞を取り囲んでいるフレーム構造と結合されるのが好ましい。慣性力によって生じる質量ユニットの位置変化のみが検出ユニットに伝達され、同時に質量ユニットにおけるひずみ及び応力が伝達されず又は少なくともかなり低減されるように、棒状要素が配設される。

特に好ましい形態においては、質量ユニットが自由度２で回転可能となる、２つの互いに直交するピボット軸がアンカー・ポイントを規定している基板に、支持構造が配置される。このようなセンサーは、２つの互いに直交する方向における並進及び回転の加速度成分を検出するのに適している。さらに、加速度が作用するときに基板に関して動く機能ユニットは、特に効果的で強固な方法で基板に支持される。基板に対する質量ユニットの可動制限は実質的にない。

上述したセンサー、特にマイクロメカニカル２軸加速度センサーを形成するために、このセンサーは、第１の方向に作用するセンサーの加速度により生じる、質量ユニットと基板との間の位置変化を検出することのできる、少なくとも１つの検出ユニットと、第２の方向に作用するセンサーの加速度により生じる、質量ユニットと基板との間の位置変化を検出することのできる、少なくとも１つの別の検出ユニットとを備える。

この発明の別の態様によると、前述した検出ユニット、少なくともそのうちの１つの検出ユニット又は複数の検出ユニットは、質量ユニットの形状変化がベアリング領域及びそこに結合された１つ又は２つ以上の数の検出ユニットに直接に伝達されず、この態様ではいずれの検出ユニットもこのような形状変化によって悪影響を受けることはないので、ベアリング領域に配置されることが提案される。センサーによって不正確な測定結果を得ることは、それ故に基本的に回避される。

しかし、少なくとも１つの検出ユニットは、質量ユニットのフレーム構造に配置可能である。この場合、質量ユニットにひずみが発生する可能性のあることが検出ユニットに悪影響を及ぼさないように、検出ユニットを配置するように注意しなければならない。そのために、この発明によると、この検出ユニットは、空洞を取り囲んでいる外周に接触して、空洞に関して対称的に配置されることが提案される。

特に好ましい形態においては、質量ユニットの一方向の位置変化を検出するために、２つの検出ユニットそれぞれがベアリング領域及び／又は質量ユニットのフレーム構造に対して互いに対向するように配置されるのが好ましい。検出ユニットは、互いに度量衡学的に結合されるので、その測定信号は総計され、それ故に計測処理に特に適している。

検出ユニットは、例えばくし状の電極から形成される差動コンデンサの形で構成される容量測定ユニットとして備えられるのが好ましい。

図１は、この発明に係るセンサーの一実施形態である２軸加速度センサーである。

この発明の追加的な特徴及び利点は、従属する請求項及び以下に記載する、図１に参照される特に好ましい実施形態についての限定のない記載に示され、そこにはこの発明による２軸加速度センサーが図式的に示されている。デカルト座標系を簡潔に記載し、より理解し易くするために、センサーについての次の記載で参照されることが図に示されている。

図示されている加速度センサーは質量ユニット９を備え、それは可撓性のあるバネ２で支持構造を構成している基板３に結合されている。図には示されていないが、基板３は、任意のユニットとしっかりと接続されて、その加速度が図示されたセンサーによって検出される。

質量ユニット９は、平らな円盤状要素であり、実質的にＸ軸方向とＹ軸方向とに延在し、Ｚ軸方向への広がりに関しては、先の広がりに対してごく僅かである。質量ユニットは、全体形状に関して非対称に配置された、すなわち中央に配置されていない空洞12を備えている。この空洞は閉鎖フレームを形成しているエッジ領域13によって取り囲まれている。この空洞12が非対称に配置されているために、質量ユニット９は、基板３に関して及びＹ軸とＺ軸とに関して軸非対称になるように形成され、それ故に重心４が、４つの可撓性を有するバネ２の交点16を貫通している、ピボット軸18（Ｚ軸に沿っている）及びピボット軸17（Ｙ軸に沿っている）それぞれからはずれている。質量ユニット９は、Ｘ軸に関して軸対称に形成され、したがってその重心４はＸ軸上に配置される。くし状の電極６は、側面構造14a及び14bの中心でエッジ領域13に対して反対側に配置された側面構造14a及び14bに、それぞれ配置される。くし状の電極は、外側のくし状の電極7a，7bと共に差動コンデンサ15を構成する。外側のくし状の電極7a，7bは、基板３に関して固定位置にあり、移動不可能に配置されている。

質量ユニット９は、さらに空洞12内に配設されたベアリング領域１を備える。このベアリング領域は、２つの空洞10a及び10bを備え、それぞれが対極8a，8bを備えている。ベアリング領域１は、図で使用されている座標系の３つの軸すべてに関して軸対称になるように形成されているので、その重心はピボット軸17及び18の交点16にある。対極8a，8bは、基板３に関して固定され、移動不可能である。ベアリング領域１は、対極8a，8bと共に差動コンデンサ11を構成する。対極8a，8bのベアリング領域１に対する位置変化はすべて、差動コンデンサ11の微分容量の変化になり、図示されていない電気回路によって、それは加速度に比例して電圧に変換される。

次に、図示されている２軸加速度センサーの機能について説明する。

図示されている２軸加速度センサーは、Ｙ軸及び／又はＺ軸に沿った方向成分を有する加速度を検出するのに役立つ。図示されたセンサーでＸ軸に沿った加速度成分は検出されない。このような加速度成分を検出するためには、対応する第２のセンサーが、図示されている加速度センサーに関して９０°回転して使用されるのが良い。

Ｙ軸方向の加速度が、センサーを保持し、かつ基板３を介してそこに結合されている装置に働くとき、ピボット軸17及び18の交点16に関して質量ユニットがアンバランスな質量分布になっているために、質量ユニット９は交点16周辺にある基板３以外の全センサーを回転させる。この方向に作用する可撓性のあるバネ２の弾性特性により、基板３を中心とした回転が可能になる。交点16の周りの質量分布が中心からずれているので、回転モーメントが有効加速度の大きさに正比例する。この回転モーメントは、可撓性のあるバネ２によるベアリング領域１に働く復元力によって弱められ、この復元力は現時点での移動に比例する。所定の加速度によって引き起こされる、基板３に関するベアリング領域１の位置変化又は回転変化の大きさから、作用している加速度の大きさが直接に結論づけられる。

Ｙ軸方向の加速度によって生じる、基板３に対するベアリング領域１の回転により、外側の対極7a，7bに関してくし状の電極６が変位する。この変位により差動コンデンサ15の微分容量に変化が生じ、それが特有の電気回路によって加速度に比例した電圧に変換され、その電圧が対応する現時点の加速度の大きさを決定するのに使用される。

Ｙ軸に沿ってもっぱら作用している加速度に関して、前述した動きは基板３と質量ユニット１との間の単なる相対移動を表している。それ故にこのような加速度は、ベアリングユニット１に対する対極8a，8bの相対移動を生じさせない。

加速度が一旦センサーにＺ方向に沿って作用すると、質量ユニットがアンバランスな質量分布となっているために、質量ユニット９は、基板３と可撓性のあるバネ２によって規定され、かつ交点16と一致している共通のアンカー・ポイントのＹ軸の周りの回転が生じる。ベアリング領域１と質量ユニット９とが結合棒５によって捻じれないように結合されているので、ベアリング領域１が共通のアンカー・ポイントのＹ軸の周りを同様に回転する。この回転により、ベアリングユニット１における空洞10a，10b内にある対極8a，8bが相対移動することになる。Ｙ方向の加速度についての記載中で既に説明したように、この場合もまたＺ方向に沿ってのみ作用する加速度のために、外側のくし状の電極7a，7bに対してくし状の電極６が移動することはない。

図から特に明らかなように、ベアリング領域１は、両方の差動コンデンサ11及び15に関して対称的に形成されている。温度変化について、それは通常対称的に膨張するので、外側のくし状の電極7a，7bに関するくし状の電極６の移動、又は、ベアリング領域１に対する対極8a，8bの移動は、熱膨張に基づいて生じない。

しかし、質量ユニットにおける軸非対称な外周が温度変化に基づいて熱膨張するなら、不均一な質量分布及び非対称な形状により、これらの膨張は質量ユニット９全体に渡って、均一に広がらないだろう。このような異なる熱膨張及び形状特有の熱膨張のために、形状の変化が温度の変化を生じさせる。特に、図面から外見上Ｙ軸の周りに、すなわちＺ軸方向に沿って、湾曲が生じる。このようなひずみは、質量ユニット９のフレーム構造とベアリングユニット１との間が剛体棒５によって結合されているので、ベアリングユニット１には伝達されず、したがってこれらのひずみによりベアリング領域１に関して対極8a，8bが相対的に移動することにならない。くし状の電極６と外側のくし状の電極7a，7bとによって構成される差動コンデンサ15についても同じことが言える。

１ ベアリング領域
２ 可撓性のあるバネ
３ 基板（アンカー）
４ 重心
５ 棒
６ くし状の電極
7a，7b 外側のくし状の電極
8a，8b 対極
９ 質量ユニット
10a，10b 空洞
11 差動コンデンサ
12 空洞
13 壁領域
14a，14b 側面構造
15 微分容量
16 キーボード軸の交点
17 Ｙ方向のピボット軸
18 Ｚ方向のピボット軸

Claims (16)

1. 基板(3)と、
   加速度の存在下で、慣性質量として作用する質量ユニット(9)と、
   前記質量ユニットと前記基板との両方に連結する支持構造(2,1,5)と、
   前記質量ユニットが、
   − センサーに作用する加速度によって、前記質量ユニットが前記基板に対してその周りを回転する少なくとも１つのピボット軸(ｙ；ｚ)が規定されるように、前記基板に結合され、及び
   − それぞれのピボット軸からはずれている重心(4)を有し、
   前記質量ユニットと前記基板との間の位置変化を検出する、少なくとも１つの検出ユニット(11；15)と、を有する、前記センサーに作用する加速度を検出するためのセンサーであって、
   前記検出ユニットが、前記質量ユニットのひずみが前記検出ユニットに伝達されないように、前記質量ユニットに関して配置されることを特徴とする、前記センサーに作用する加速度を検出するためのセンサー。
2. 前記質量ユニットが、円盤状要素によって構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
3. 前記質量ユニットが、各ピボット軸に関して軸非対称に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサー。
4. 前記質量ユニットが、各ピボット軸に関して軸対称に形成され、かつ支持構造と少なくとも１つの検出ユニットとが配置される、ベアリング領域(1)を備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。
5. ベアリング領域と質量ユニットとが、剛体ロッド形状要素又は棒状の要素(5)によって、互いに結合されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
6. 剛体ロッド形状要素又は棒状の要素の長軸が、ピボット軸(17)と一致していることを特徴とする請求項５に記載のセンサー。
7. センサーにおける第１の方向に作用している加速度によって引き起こされる、前記質量ユニットと前記基板との間の位置変化を、検出可能な少なくとも１つの検出ユニットと、
   センサーにおける第２の方向に沿って作用している加速度によって引き起こされる、前記質量ユニットと前記基板との間の位置変化を、検出可能な少なくとも１つの別の検出ユニットとを備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。
8. 前記質量ユニットは、前記ベアリング領域が配置される空洞(12)を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のセンサー。
9. 少なくとも１つの検出ユニットは、前記質量ユニットにおける、前記空洞を取り囲んでいるエッジ(14a；14b)の中央に配置されることを特徴とする請求項８に記載のセンサー。
10. 前記検出ユニットは、前記質量ユニットの平面での位置変化を検出することを特徴とする請求項９に記載のセンサー。
11. ベアリング領域(1)に配置された少なくとも１つの検出ユニットは、前記質量ユニットの平面に直交する位置変化を検出することを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載のセンサー。
12. 前記支持構造は、互いに直交する２つのピボット軸(17，18)の交点が、前記質量ユニットが自由度２で回転可能であるアンカー・ポイントを規定するように、基板に配置されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。
13. 一方向の位置変化を検出するための２つの検出ユニットがベアリング領域に備えられていることを特徴とする請求項４〜１２のいずれかに記載のセンサー。
14. 前記支持構造は、検出される加速度の方向に沿って変位可能であり、実質的に曲げ抵抗を有するバネアセンブリ(2)を備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。
15. 前記検出ユニットは、くし状の電極(6，7a，7b)から形成される差動コンデンサ(15)であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。
16. マイクロメカニカルデバイスとして、ウエハから、好ましくはシリコンウエハから形成されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のセンサー。

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