JP2012152890A - ジグザグ形のねじりばねを有するｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】精度、小寸法、及びコスト効率的な製造を可能とするＭＥＭＳセンサ設計を提供する。
【解決手段】一態様では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばね（トーションばね）を備え、該ねじりばねは、可動要素すなわちプルーフマスを、その下にある基板の上に懸架している。さらなる一態様では、この複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばねは、熱によって誘起される応力による測定誤差を最小化するべく配向される。係るジグザグ形のねじりばねを有するＭＥＭＳセンサは、既存のＭＥＭＳ製法を用いて製造可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサに関する。より詳細には、本発明は、サイズの減少および温度に誘起される誤差に対する影響の受けやすさの減少のためのジグザグ形のねじりばねを有するＭＥＭＳセンサに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、自動車、慣性航法システム、家庭用製品、種々のデバイスのための保護システムや、他の産業、科学、および工学システムなどの用途において広く使用されている。このようなＭＥＭＳセンサは、加速度、圧力、回転角、または温度などの物理的な状態を感知するために使用され、感知された物理的な状態を表す電気信号を出力する。

容量感知式ＭＥＭＳ設計は、加速環境および回転環境の両方における、また小型化されたデバイスにおける動作において非常に望ましく、さらにはコストが低いことによっても非常に望ましい。エネルギーの供給された回路の出力を変化させるために、容量式加速度計は加速に関連して電気容量における変化を感知する。１つの一般的な形態の加速度計は、「ティーター＝トーター」構成すなわち「シーソー」構成を有する２層の容量式トランスデューサである。この一般的に利用される型のドランスデューサは、基板上においてＺ軸方向の加速下で回転する可動要素またはプレートを用いる。この加速度計構造は、２つの別個の容量値を測定して差容量または相対容量を決定する。

図１には、Ｚ軸加速を感知するように適合されている従来技術のＭＥＭＳ容量式加速度計２０の平面図を示す。加速度計２０は、従来のヒンジ式すなわち「シーソー」型センサとして形成されている。容量式加速度計２０は、ほぼ平坦な面を有する基板２２を備える。電極要素２４，２６（破線によって示す）は、この基板２２の平坦な面上に形成されている。これに加えて、この基板２２の平坦な面上に、サスペンションアンカ２８も形成されている。可動要素３０（一般にプルーフマス、慣性錘などと呼ばれる）は、可動要素３０とサスペンションアンカ２８とを相互に接続する、一般にねじりばね３２と呼ばれる１つ以上の回転可撓部（フレキシャ）によって基板２２上に可撓性に（すなわち、非剛直に）懸架される。図に示すように、開口部３４は可動要素３０を通じて延びており、サスペンションアンカ２８は可動要素３０の回転軸３６に沿って開口部３４のほぼ中心に配置されている。

可動要素３０は、加速に応答して回転軸３６の周りを回転するように適合されているので、可動要素３０の位置は、その下に位置する電極要素２４，２６に対して変化する。より詳細には、ねじりばね３２は、可動要素３０に加わるＺ軸加速に応答して、回転軸３６と同軸であるねじりばね３２自身の軸の周りのねじれ（すなわち、ずり応力）を受ける。この位置の変化によって、１組のキャパシタには、加速を表す差、すなわち差容量が生じる。通常、ねじりばね３２は直棒であり、可動要素３０が回転軸３６の周りに回転し、その中立位置に復帰することを可能とするのに適切なばね定数を有するように形成されている。

精度、小寸法、及びコスト効率的な製造を可能とするＭＥＭＳセンサ設計を提供する。

一態様では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばね（トーションばね）を備え、該ねじりばねは、可動要素すなわちプルーフマスを、その下にある基板の上に懸架している。さらなる一態様では、この複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばねは、熱によって誘起される応力による測定誤差を最小化するべく配向される。係るジグザグ形のねじりばねを有するＭＥＭＳセンサは、既存のＭＥＭＳ製法を用いて製造可能である。

Ｚ軸加速を感知するように適合されている従来技術のＭＥＭＳ容量式加速度計の平面図。 一実施形態によるデバイスに含まれるＭＥＭＳセンサの平面図。 図２のＭＥＭＳセンサの側面図。 図２のＭＥＭＳセンサの一部を拡大した平面図。

図２〜４を参照する。図２には、一実施形態によるデバイス４２に含まれるＭＥＭＳセンサ４０の平面図を示す。図３には、ＭＥＭＳセンサ４０の側断面図を示す。図４には、ＭＥＭＳセンサ４０の一部を拡大した平面図を示す。ＭＥＭＳセンサ４０は、加速度計の形態では、矢印４４によって表されるＺ軸方向の加速を検出するように適合されており、「シーソー」型センサとして形成されている。デバイス４２は、加速度測定を必要とする複数のデバイスのいずれを含んでもよい。それらのデバイスには、例えば、自動車システム、慣性航法システム、家庭用製品、種々のデバイスのための保護システム、携帯計算および通信デバイス、手持ち式のゲームコントローラや、他の多くの産業、科学、および工学システムを含む。

ＭＥＭＳセンサ４０は、ほぼ平坦な面４８を有する基板４６を備える。電極要素５０，５２およびサスペンションアンカ５４は、基板４６の平坦な面４８上に形成される。可動要素５６は、基板４６の平坦な面４８の上に離間して配置される。より詳細には、ＭＥＭＳセンサ４０は、可動要素５６が基板４６上に懸架されるように可動要素５６とサスペンションアンカ５４とを相互に接続する第１ジグザグ形のねじりばね５８および第２ジグザグ形のねじりばね６０を備える。ＭＥＭＳセンサ４０の構成部品は、例えば、堆積、パターニング、およびエッチングを含む、既存のまたは将来の技術によるＭＥＭＳ製造設計規則および製法を用いて形成され得る。

図に示すように、開口部６２は可動要素５６を通じて延びており、可動要素５６の内縁部６３によって画定される。サスペンションアンカ５４は、可動要素５６の第１端部６８と第２端部７０との間において、開口部６２のほぼ中心６４に可動要素５６の回転軸６６に沿って配置される。

シーソー型加速度計としての動作が意図される場合、回転軸６６の１つの側における可動要素５６の第１部分７２は、回転軸６６の別の側における可動要素５６の第２部分７４より相対的に大きな質量を有するように形成される。例示的な一実施形態では、第１部分７２のより大きな質量は、第１部分７２が第２部分７４より長くなるように回転軸６６を移動させることによって形成される。しかしながら、第１部分７２と第２部分７４との間の質量の差が回転軸を移動させることによって形成されることに代え、代替の一実施形態では、この質量の差は、材料の追加の層によって第１部分７２に質量を追加すること、第１部分７２に対して第２部分７４から質量を除去すること等によって達成されてよい。可動要素５６は加速４４に応答して回転軸６６の周りに回転するように適合されているので、可動要素５６の位置は、その下にある感知要素（電極要素）５０，５２に対して変化する。この位置の変化によって、その差が加速４４を表す１組の容量、すなわち差容量が生じる。

第１および第２のジグザグ形のねじりばね５８，６０の各々は、ほぼ等しい形状および同様の寸法を有している。第１および第２のジグザグ形のねじりばね５８，６０の各々は、回転軸６６とほぼ平行に整合して配置されている複数のセグメント７６を備えるねじりばね５８，６０の各々におけるセグメント７６は、棒部材によって蛇行形状、すなわちジグザグ形に接続されており、ねじりばね５８，６０の「折り曲げられた」構成を形成する。図示した例では、第１および第２のねじりばね５８，６０の各々は、３つのセグメント７６を備える。しかしながら、代替のジグザグ形の構成は、３つ以上のセグメント７６を備えてよい。

一実施形態では、棒部材７８は、回転軸６６に対しほぼ垂直である一方、基板４６の平坦な面４８に対し平行である。図４の拡大した平面図に特に示すように、各棒部材７８の長さ８０は、セグメント７６の各々の長さ８２より有意に短い。したがって、棒部材７８の材料特性は、第１および第２のジグザグ形のばね５８，６０のねじれ能力に有意に寄与しない。むしろ、
回転軸６６に対し平行に配置されたセグメント７６を組み合わせた全体によって、加速４４に応答して回転軸６６の周りに可動要素５６を回転させることを可能とする望ましい効果が得られる。実際に、各セグメント７６の長さ８２の合計に等しい全長を有するねじりばね３２（図１）など、直棒のねじりばねとほぼ同じ捻ればね定数が得られる。しかしながら、３つのセグメント７６の「ジグザグ形」の構成のため、第１および第２のねじりばね５８，６０によって占有される空間の大きさは、同じ捻ればね定数を有する従来の直棒ねじりばねの約１／３である。

ＭＥＭＳセンサ用途では、より低いＴＣＯ（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｏｆｆｓｅｔ）が要求される。ＴＣＯは、熱応力がＭＥＭＳセンサなどの半導体デバイスの性能にどれくらい影響を与えるかの測度である。高いＴＣＯは、熱によって誘起される応力が相当大きいことや、ＭＥＭＳデバイスがそうした応力の影響を相当受けやすいことを示す。ＭＥＭＳセンサ用途のパッケージングでは、熱膨張率の異なる材料が使用されることが多くある。したがって、望ましくないことに高いＴＣＯが製造時または動作時に発生し得る。これに加えて、最終用途においてパッケージングされた半導体デバイスをプリント回路板上に半田付けすることによって生じる場合もある。応力とＭＥＭＳデバイスの材料特性との組み合わせによって、基板４６に歪み（すなわち、変形）が生じ得る。サスペンションアンカ５４にも、その下に位置する基板４６を介し、この歪みまたは変形が生じ得る。サスペンションアンカ５４における歪みによって、回転軸６６の周りに可動要素５６の回転が生じ、これによって測定精度が低下するので、容量式加速度計４０の出力に不利な影響が与えられる。

従来では、ＭＥＭＳセンサにおける要素は、通常、鏡映対称であるように配置されており、要素は１つの対称軸に対して配置されている。対称軸とは、幾何学的な線であり、その対称軸に沿って折り返した場合に一方の部分が他方の部分に一致するように図形を２つの部分に分ける線である。従来技術のＭＥＭＳセンサ２０（図１）の構成部品は、鏡映対称に配置されている。残念なことに、ジグザグ形のねじりばねを鏡映対称に配置しても、ＴＣＯ効果のため、望ましくない大きな歪みおよび測定程度の低下が生じ得る。

したがって、第１および第２ジグザグ形のねじりばねは鏡映対称に配置されていない。むしろ、図２に示すように、サスペンションアンカ５４における歪みによって測定精度の低下が生じるという問題に対処するために、第２のジグザグ形のねじりばね６０は、サスペンションアンカ５４の中心８４の周りに第１のジグザグ形のねじりばね５８に対してほぼ回転対称に配置される。本明細書において用いられる用語「回転対称」は、第２のジグザグ形のねじりばね６０が第１のジグザグ形のねじりばね５８に対して中心８４の周りに回転されるとともに、第１のジグザグ形のねじりばね５８と「同じに見える」ことを意味する。すなわち、第１のジグザグ形のねじりばね５８上の各点は、第２のジグザグ形のねじりばね６０上に、中心８４からの距離が同じであり、ただし反対方向にある一致点をそれぞれ有する。この回転対称性は、図２において矢印８５によって表される。一実施形態では、第２のジグザグ形のねじりばね６０は、第１のジグザグ形のねじりばね５８に対してサスペンションアンカ５４の中心８４の周りに約１８０度だけ回転された方向に配置される。この構成は、「２回対称性」とも呼ばれる。

第１のジグザグ形のねじりばね５８は、サスペンションアンカ５４の第１の側８８に接続された端部８６と、可動要素５６の内縁部５３に接続された別の端部９０とを有する。同様に、第２のジグザグ形のねじりばね６０は、サスペンションアンカ５４の第１の側８８に対向するサスペンションアンカ５４の第２の側に接続された端部９２を有する。第２のジグザグ形のねじりばね６０の別の端部９６も、可動要素の内縁部６３に接続されている。図に示す実施形態では、第１のジグザグ形のねじりばね５８の端部８６，９０は、互いに対して整合して配置されていない。むしろ、それらの端部８６，９０は、対称軸６６に対し、側方に互いから離間するように配置されている。同様に、第２のジグザグ形のねじりばね６０の端部９２，９６は、対称軸６６に対し、側方に互いから離間するように配置されている。

第１および第２ねじりばね５８，６０の回転対称性配置によって、いずれもサスペンションアンカ５４に接続されている第１のジグザグ形のねじりばねの端部８６および第２のジグザグ形のねじりばね６０の端部９２は、対称軸６６の対向する側において等しい距離９８だけ離間して配置される。したがって、第１のジグザグ形のねじりばね５８の端部８６においてサスペンションアンカ５４を通じて与えられる歪みは、第２のジグザグ形のねじりばね６０の端部９２においてサスペンションアンカ５４を通じて与えられる、ほぼ等しい逆の歪みによって相殺される。この結果、この回転対称性配置によって、ＴＣＯ効果による測定誤差が有効に打ち消される。

一実施形態では、第１および第２のねじりばね５８，６０は、回転軸６６の対向する側に配置された対応する端部８６，９２を有する。しかしながら、代替の実施形態では、サスペンションアンカ５４に対する２つのジグザグ形のねじりばねの取付点は回転軸６６上にある一方、可動要素５６に対するジグザグ形のねじりばねの取付点は、回転軸６６の対向する側に等しい距離だけ離間して配置されてよいことが理解される。さらに別の実施形態では、各ジグザグ形のねじりばねは互いに対して回転対称に配置されていればよく、各ジグザグ形のねじりばねの端部が回転軸６６上に配置される必要はない。

本明細書に記載の実施形態では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばね（トーションばね）を備え、該ねじりばねは、可動要素すなわちプルーフマスを、その下にある基板の上に懸架している。この複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばねによって、等しい捻ればね定数を有する直棒のねじりばねに対して寸法が低減される。これに加えて、この複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばねは、熱によって誘起される応力による測定誤差を最小化するべく回転軸に対して配向される。ばねの配向は回転対称性に基づいており、１つのジグザグ形のねじりばねは別のジグザグ形のねじりばねに対し、１つのジグザグ形のねじりばね上の各点が別のジグザグ形のねじりばね上に、サスペンションアンカの中心からの距離が同じであり、ただし反対方向にある一致点をそれぞれ有するように、配向される。したがって、複数のセグメントを有するジグザグ形のねじりばねは、全体としてより小さな面積を有するＭＥＭＳセンサ設計により実装可能であるとともに、厳密なＴＣＯ仕様を満たすことが可能である。さらにまた、このようなＭＥＭＳセンサは、従来の製法を利用して、低コスト、小型、単一ダイのトランスデューサとして実装可能である。

Claims (20)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサであって、
   基板と、
   基板の１つの表面の上に離間して配置された可動要素と、
   基板の前記表面上に形成されたサスペンションアンカと、
   可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第１のジグザグ形のねじりばねと、
   可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第２のジグザグ形のねじりばねとを備え、第１および第２のジグザグ形のねじりばねは実質的に同一の形状を有し、第２のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの中心を回転中心として第１のジグザグ形のねじりばねに対しほぼ回転対称となるように配向される、ＭＥＭＳセンサ。
2. 第２のジグザグ形のねじりばねは、第１のジグザグ形のねじりばねに対して約１８０度だけサスペンションアンカの中心の周りに回転された方向に配向される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 可動要素は、可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができ、
   サスペンションアンカの中心は前記回転軸に位置し、
   第１のジグザグ形のねじりばねはサスペンションアンカに接続された第１の端部を有し、
   第２のジグザグ形のねじりばねはサスペンションアンカに接続された第２の端部を有し、
   第１のジグザグ形のねじりばねの第１の端部および第２のジグザグ形のねじりばねの第２の端部は、それぞれ前記回転軸の両側に前記回転軸からほぼ等しい距離だけ離間して配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 可動要素は、可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができ、
   第１および第２のジグザグ形のねじりばねの各々は、前記回転軸に対しほぼ平行に配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 可動要素は、可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができ、
   第１および第２のジグザグ形のねじりばねの各々は、前記回転軸に対しほぼ平行に整合して配置された複数のセグメントを含み、該セグメントは棒部材によって屈曲して連結される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 棒部材の各々は第１の長さを有し、セグメントは第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さより小さい、請求項５に記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 第１および第２のジグザグ形のねじりばねは各々少なくとも３つのセグメントを含む、請求項５に記載のＭＥＭＳセンサ。
8. 可動要素は可動要素を通じて延びている開口部を備え、該開口部は可動要素の内縁部によって画定されており、
   サスペンションアンカは前記開口部の中心に配置されており、
   第１のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの第１の側に接続された第１の端部と、可動要素の内縁部に接続された第２の端部とを有し、
   第２のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの第１の側に対向する第２の側に接続された第３の端部と、可動要素の内縁部に接続された第４の端部とを有する、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
9. 可動要素は、可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができ、
   前記センサは、基板上であって可動要素の下に配置された感知要素を含み、感知要素は、基板の１つの平面に対し垂直な軸に沿って前記回転軸の周りの第１の位置から第２の位置までの運動を可動要素の移動を検出するべく適合されている、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
10. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備えるデバイスであって、
    前記ＭＥＭＳセンサは、
    基板と、
    基板の１つの表面の上に離間して配置された可動要素であって、該可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができる可動要素と、
    基板の前記表面上に形成されたサスペンションアンカであって、前記回転軸に位置する中心を有するサスペンションアンカと、
    可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第１のジグザグ形のねじりばねと、
    可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第２のジグザグ形のねじりばねとを備え、第１および第２のジグザグ形のねじりばねは実質的に同一の形状を有し、第２のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの中心を回転中心として第１のジグザグ形のねじりばねに対しほぼ回転対称となるように配向される、ＭＥＭＳセンサ。
11. 第２のジグザグ形のねじりばねは、第１のジグザグ形のねじりばねに対して約１８０度だけサスペンションアンカの中心の周りに回転された方向に配向される、請求項１０に記載のデバイス。
12. 棒部材の各々は第１の長さを有し、セグメントは第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さより小さい、請求項１０に記載のデバイス。
13. 第１および第２のジグザグ形のねじりばねは各々少なくとも３つのセグメントを含む、請求項１０に記載のデバイス。
14. 可動要素は可動要素を通じて延びている開口部を備え、該開口部は可動要素の内縁部によって画定されており、
    サスペンションアンカは前記開口部の中心に配置されており、
    第１のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの第１の側に接続された第１の端部と、可動要素の内縁部に接続された第２の端部とを有し、
    第２のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの第１の側に対向する第２の側に接続された第３の端部と、可動要素の内縁部に接続された第４の端部とを有する、請求項１０に記載のデバイス。
15. 前記センサは、基板上であって可動要素の下に配置された感知要素を含み、感知要素は、基板の１つの平面に対し垂直な軸に沿って前記回転軸の周りの第１の位置から第２の位置までの運動を可動要素の移動を検出するべく適合されている、請求項１０に記載のデバイス。
16. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサであって、
    基板と、
    基板の１つの表面の上に離間して配置された可動要素であって、該可動要素を通じて延びている開口部を備え、該開口部は可動要素の内縁部によって画定されており、該可動要素は、該可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置する回転軸に対して運動することができる可動要素と、
    基板の前記表面上に形成されたサスペンションアンカであって、前記開口部の中心に配置されているサスペンションアンカと、
    可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第１のジグザグ形のねじりばねであって、前記回転軸に対しほぼ平行に配置されており、サスペンションアンカの第１の側に接続された第１の端部と、可動要素の内縁部に接続された第２の端部とを有する第１のジグザグ形のねじりばねと、
    可動要素とサスペンションアンカとを相互に接続する第２のジグザグ形のねじりばねであって、前記回転軸に対しほぼ平行に配置されており、サスペンションアンカの第１の側に対向する第２の側に接続された第３の端部と、可動要素の内縁部に接続された第４の端部とを有する第２のジグザグ形のねじりばねと、を備え、第１および第２のジグザグ形のねじりばねは実質的に同一の形状を有し、第２のジグザグ形のねじりばねは、サスペンションアンカの中心を回転中心として第１のジグザグ形のねじりばねに対しほぼ回転対称となるように配向される、ＭＥＭＳセンサ。
17. 第２のジグザグ形のねじりばねは、第１のジグザグ形のねじりばねに対して約１８０度だけサスペンションアンカの中心の周りに回転された方向に配向される、請求項１６に記載のＭＥＭＳセンサ。
18. サスペンションアンカの中心は前記回転軸に位置し、
    第１のジグザグ形のねじりばねの第１の端部および第２のジグザグ形のねじりばねの第３の端部は、それぞれ前記回転軸の両側に前記回転軸からほぼ等しい距離だけ離間して配置されている、
    請求項１６に記載のＭＥＭＳセンサ。
19. 第１および第２のジグザグ形のねじりばねの各々は、前記回転軸に対し平行に整合して配置された少なくとも３つのセグメントを含み、該セグメントは棒部材によって屈曲して連結されており、棒部材の各々は第１の長さを有し、セグメントは第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さより小さい、請求項１６に記載のＭＥＭセンサ。
20. 前記センサは、基板上であって可動要素の下に配置された感知要素を含み、感知要素は、基板の１つの平面に対し垂直な軸に沿って前記回転軸の周りの第１の位置から第２の位置までの運動を可動要素の移動を検出するべく適合されている、請求項１６に記載のＭＥＭＳセンサ。

Images