JP2012528305A - マイクロマシン構造 - Google Patents

Abstract

マイクロマシン構造、特に加速度センサであって、基板と、基板に対して相対的に可動なサイズモ質量体と、基板に不動に接合された少なくとも１つの固定エレメントとを備えており、サイズモ質量体は固定エレメントを介して基板に固定されており、サイズモ質量体及び固定エレメントの間に少なくとも１つのばねエレメントが配置されていて、固定エレメントは、サイズモ質量体の少なくとも１つの対向ストッパエレメントと協働する少なくとも１つのストッパエレメントを有しているようになっている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載のマイクロマシン構造に基づく。

上述のマイクロマシン構造は一般的に公知になっている。例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８１７３５７号明細書において加速度センサが公知である。この加速度センサは基板と、ばねエレメントと、サイズモ質量体とを有している。ばねエレメントは第１の端部によって基板に接合されており、第２の端部によってサイズモ質量体に接合されているので、基板の表面に対して平行な加速度センサの加速により、質量体の基板に対して相対的な運動を引き起こすことができる。基板の表面に対して平行な加速時にばねエレメントの変形を制限するばねストッパが、ばねエレメントのために設けられている。この構成においては、ばねストッパを基板に不動に接合する必要がある。類似の加速度センサが、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３８７６１号明細書において公知になっている。この加速度センサは、サイズモ質量体の振れを制限するために同様にストッパを有している。これらのストッパはばねエレメントの部分として構成されている。

発明の開示
独立請求項に記載の本発明に係るマイクロマシン構造は先行技術に対して、ストッパエレメント及び対向ストッパエレメントの協働により、基板に対して相対的なサイズモ質量体の変位が有効に制限され、ストッパエレメントのために独自の基板接合部が必要ではなく、ばねエレメントのばね特性がストッパエレメントから影響を受けることはないという点において有利である。独自の基板接合部の省略及び標準ばねエレメントを使用することができることにより、先行技術と比べて、本発明に係るマイクロマシン構造の構成スペースに関して明らかにコンパクトでかつ比較的廉価な製造が可能になる。このことは、ストッパエレメントが固定エレメントの部分として構成されていて、相補的な対向ストッパエレメントがサイズモ質量体の部分として形成されていることにより達成される。有利には、固定エレメントは同時に基板におけるサイズモ質量体の固定及びストッパエレメントの固定夫々のために働く。ばねエレメントは、基板及び固定エレメントに対するサイズモ質量体の運動性を保証するために働く。基板に対するサイズモ質量体の最大の変位は、ストッパエレメントと対向ストッパエレメントとの機械的な接触により制限される。サイズモ質量体とばねエレメントの形式の固定エレメントとの接合により、ストッパエレメントと対向ストッパエレメントとは、特に同じ電位にあるので、力作用、特にストッパエレメントと対向ストッパエレメントとの間の付着は、静電気による相互作用に基づき確実に排除される。さらに先行技術と比べて固定エレメントに接合エレメントを組み込むことは、ストッパエレメントの構成スペースに関して比較的コンパクトな組込みが実現される、という利点を有している。これにより特に製造コストはウェハ面の省略により減じられる。さらにストッパエレメントが独自の基板固定部を必要としないので、マイクロマシン構造の製造プロセスは簡単になる。先行技術と比べたさらなる利点は、ストッパエレメントがばねエレメントの領域に配置されていないという点、若しくはばねエレメントの一部分ではないという点である。このような構成でない場合には、特に所望及び不都合な振動モードに関してばね特性が著しく変化し、ひいては新たなばねジオメトリが必要となる。本発明に係るマイクロマシン構造において、ばねエレメントの設計にはストッパエレメントによる影響は加えられていないので、マイクロマシン構造には既に公知でかつ有効なばねジオメトリを備え付けることができる。固定エレメントは、特に基板に対して垂直に基板に直接接合されている領域だけでなく、基板に対して垂直に基板に直接接合されている領域とばねエレメントとの間の接合領域も有している。この接合領域は、例えば露出しているか若しくはアンダカットされて形成されている。

本発明の有利な構成及び改良形は、従属請求項及び図面に基づく記載から看取可能である。

有利な改良形によれば、ストッパエレメント及び対向ストッパエレメントはマイクロマシン構造のセンシング方向に沿って及び／又はこのセンシング方向に対して垂直に相対して配置されているようになっている。したがって有利には、基板に対するセンシング方向に沿ったマイクロマシン構造の最大の変位は制限される。加速度センサにおいてセンシング方向は、例えば加速度が測定される方向に一致する。最大の変位を制限することにより、特に極めて大きな加速力によるマイクロマシン構造の損壊は抑制される。極めて大きな加速力は、例えばばねエレメントの破断、又はサイズモ質量体がゼロ位置に戻ることができないようにする固定電極と対向電極との間の機械的又は静電気的な固着の発生をもたらすことがある。択一的に又は付加的には、センシング方向に対して垂直なサイズモ質量体の最大の変位は、センシング方向に対して垂直に相対して配置されているストッパエレメント及び対向ストッパエレメントにより実現可能である。これにより、例えば加速度センサへの機械的及び／又は静電気的な外部からの力の作用は減じられる。

別の有利な改良形によれば、ストッパエレメントは固定エレメントの凸部として形成されておりかつ／又は対向ストッパエレメントはサイズモ質量体の凸部として形成されているようになっている。有利にはストッパエレメント及び対向ストッパエレメントは、比較的簡単にかつ構成スペースに関してコンパクトに実現される。さらに別の有利な構成において、ストッパエレメント及び／又は対向ストッパエレメントは、ストッパエレメント及び対向ストッパエレメントの互いの接着を阻止する非接着層を有している。

さらに別の有利な改良形によれば、ストッパエレメント及び／又は対向ストッパエレメントは部分的に弾性的に形成されており、かつ有利にはＬ字形に形成されているようになっている。これにより有利には、サイズモ質量体の最大変位に到達する少し前に、サイズモ質量体の運動力学的エネルギは変形エネルギに変換され、ひいてはサイズモ質量体は最大変位に達する前に制動される。したがって最大変位の到達時にマイクロマシン構造に作用する機械的な力は減じられる。

さらに別の有利な改良形によれば、固定エレメントはマイクロマシン構造の中央領域に配置されているようになっている。したがって有利には、マイクロマシン構造の構成スペースに関して比較的コンパクトな構成が可能になる。さらに対称面に対して鏡面対称的なマイクロマシン構造の構成が実現される。この構成において、対称面は基板平面に対して垂直に延在している一方で、センシング方向に対して平行又は垂直に延在している。上述の鏡面対称的な構成により、マイクロマシン構造の測定に関する正確性が全体的に向上する。

さらに別の有利な改良形によれば、マイクロマシン構造はサイズモ質量体の対向電極と協働する固定電極を有しているようになっている。固定電極と対向電極とは、有利にはセンシング方向に対して垂直に互いに入り込んでいる櫛歯形電極として形成されている。本構成においてセンシング方向は、特に基板平面に対して平行に延在している。センシング方向に沿った加速度センサの加速時に、サイズモ質量体は基板に対して相対的に、慣性の力に基づいて加速に対して逆平行に運動する。このことは、固定電極と対向電極との間の、センシング方向に対して平行な間隔変化に繋がる。これにより固定電極と対向電極との間の、加速度の測定基準として働く電気的な容量の測定可能な変化がもたらされる。

本発明の他の対象は、マイクロマシン構造、特に加速度センサであって、基板と、基板に対して相対的に可動なサイズモ質量体と、基板に不動に接合された少なくとも１つの固定エレメントとを備えており、サイズモ質量体は固定エレメントを介して基板に固定されており、サイズモ質量体及び固定エレメントの間に少なくとも１つのばねエレメントが配置されており、マイクロマシン構造はサイズモ質量体の対向電極と協働する固定電極を有しており、サイズモ質量体は少なくとも１つの他のストッパエレメントと、少なくとも１つの他の対向電極とを有しており、他の対向電極は固定電極に不動に接合されている。したがって有利には、他の対向ストッパエレメントは、特に他の固定エレメントにより基板に固定されている固定電極構造と不動に接合されている。他の対向ストッパエレメントと固定電極構造との接合により、他の対向ストッパエレメントの固定のために他の基板接合部は必要にならないので、先行技術と比べて著しく簡単で、廉価でかつ構成スペースに関してコンパクトなマイクロマシン構造の構成が可能になる。

さらに別の有利な改良形によれば、他のストッパエレメント及び／又は他の対向ストッパエレメントは有利には弾性的に構成されていて、かつ特に有利にはＬ字形に構成されているので、有利には最大変位に達する前にサイズモ質量体の慎重な制動が達成される。

さらに別の有利な改良形によれば、他の対向ストッパエレメントは固定電極及び／又は他の固定エレメントを有しているようになっている。本構成において、他の固定エレメントは、有利には基板に固定電極を固定するために設けられているので、対向ストッパエレメントは、有利には独自の基板接合部を必要としない。

さらに別の有利な改良形によれば、他のストッパエレメントは、固定電極及び対向電極に対してほぼ平行に延在しており、センシング方向に沿って、特に少なくとも１つの固定電極と他の固定エレメントとの間に配置されているようになっている。有利には本構成における他の対向ストッパエレメントは、固定電極及び／又は他の固定エレメントによって自動的に形成されるので、他の対向ストッパエレメントの実現のために他の構造を必要としない。

先行技術に基づくマイクロマシン構造の概略的な平面図である。 図２ａ及び図２ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な平面図及び概略的な詳細図であり、図２ｃは本発明の第２の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な詳細図である。 図３ａ及び図３ｂは、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な平面図及び概略的な詳細図であり、図３ｃは、本発明の第４の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な詳細図である。 本発明の第５の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な平面図である。 図５ａ及び図５ｂは、本発明の第６の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な平面図及び概略的な詳細図である。 図６ａ及び図６ｂは、本発明の第７の実施の形態に係るマイクロマシン構造の概略的な平面図及び概略的な詳細図である。

本発明の実施の形態を図示し、以下に詳細に説明する。

発明の実施の形態
異なる図面において同じ部分には同じ符号を付し、基本として夫々一度だけ説明若しくは言及する。

図１に、先行技術に基づく加速度センサの形式のマイクロマシン構造１′の概略的な平面図を示す。マイクロマシン構造１′は基板２と、この基板２に２つの固定エレメント４を介して接合されているサイズモ質量体３とを有している。各固定エレメント４とサイズモ質量体３との間にはばねエレメント５が配置されていて、サイズモ質量体３は基板平面１０１に対する平行なセンシング方向１００に沿って、基板２に対して可動に形成されている。さらに、マイクロマシン構造１′は基板２に不動に接合された固定電極８を有している。この固定電極８はサイズモ質量体３の相補的な対向電極９との協働のために設けられている。固定電極８は他の固定エレメント１２を介して基板２に接合されている。固定エレメント８及び対向電極９は、互いに係合している櫛歯形電極として形成されていて、櫛歯形電極のフィンガはセンシング方向１００において交互に配置されており、また互いに離間されている。センシング方向１００に沿った加速度センサの加速時に、サイズモ質量体３は基板２に対して相対的に、慣性の力に基づいて加速方向に対して平行に逆方向に運動する。このことは固定電極８と対向電極９との間の、センシング方向１００に対して平行な間隔の変化をもたらす。これにより固定電極８と対向電極９との間の電気的な容量の測定可能な変化がもたらされる。この変化は加速度の測定基準として働く。センシング方向１００に対して垂直及び平行な、基板２に対するサイズモ質量体３の変位を制限するために、マイクロマシン構造１′は２つのストッパユニット２０を有している。これらのストッパユニット２０は、基板２に固定するための付加的な固定エレメント２０′を夫々有しており、サイズモ質量体３の切抜き２１に夫々配置されている。サイズモ質量体３の変位は、ストッパユニット２０とサイズモ質量体３の縁部との間の機械的な接触により、切抜き２１の領域において制限される。したがって先行技術に基づくマイクロマシン構造１′は、切抜き２１を提供するために拡大したサイズモ質量体３と、さらに２つの付加的な固定エレメント２０′とを必要とする。

図２ａに、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な平面図を示す。このマイクロマシン構造１は、図１に示した先行技術に基づくマイクロマシン構造にほぼ相当する。さらに本発明の第１の実施の形態に係るマイクロマシン構造１は、２つのストッパエレメント６を有する。これらのストッパユニット６は２つの固定エレメント４のうち一方の部分として夫々形成されている。上述のストッパエレメント６は各固定エレメント４に凸部として形成されている。各ストッパエレメント６は、サイズモ質量体３の相補的な対向ストッパエレメント７と協働する。この相補的な対向ストッパエレメント７は、センシング方向１００に沿ってストッパエレメント６に相対して形成されているので、サイズモ質量体３の変位は基板２に対して相対的にかつセンシング方向１００に対して平行に制限される。したがって対向ストッパエレメント７はサイズモ質量体３における相補的な凸部として形成されている。図２ｂに、図２ａに示した本発明の第１の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の拡大した部分１０２の図を示す。図２ｃに、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な詳細図を示す。第２の実施の形態に係るマイクロマシン構造１は、図２ｂに示した第１の実施の形態とほぼ同一であり、サイズモ質量体３の２つの相補的な対向ストッパエレメント７と夫々協働する２つのストッパエレメント６を、２つの固定エレメント４の夫々が有している。本発明が意図するマイクロマシン構造１は、択一的には他の任意の複数のストッパエレメント６及び対向ストッパエレメント７によって夫々実現可能であるということは、当業者にとって自明である。

図３ａ及び図３ｂに、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な平面図及び概略的な詳細図１０３を示す。第３の実施の形態は、図２ａ及び図２ｂに示した第１の実施の形態とほぼ同一であり、センシング方向１００に沿って対向ストッパエレメント７と相対しているストッパエレメント６に加えて付加的なストッパエレメント６′を有している。これらのストッパエレメント６′はセンシング方向１００に対して垂直に、サイズモ質量体３の付加的な相補的な対向ストッパエレメント７′に向かい合って配置されているので、サイズモ質量体３の変位は、基板２に対して相対的に、またセンシング方向１００に対して垂直に制限される。図３ｃに、本発明の第４の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な詳細図１０３を示す。第４の実施の形態のマイクロマシン構造１は、図３ｂに示した第３の実施の形態とほぼ同一であり、単にストッパエレメント６，６′及び対向ストッパエレメント７，７′の数が異なっている。

図４に、本発明の第５の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な平面図を示す。第５の実施の形態は、第１，２，３又は４の実施の形態とほぼ同一であり、基板２に対して相対的で、センシング方向１００に対して平行及び／又は垂直なサイズモ質量体３の最大の変位が、協働する複数のストッパエレメント６，６′及び対向ストッパエレメント７，７′により制限されるので、第５の実施の形態に係るマイクロマシン構造１はストッパユニット２０を有していない。さらにストッパユニット２０の省略により、付加的な固定エレメント２０′及び切抜き２１も必要なくなり、マイクロマシン構造１は機能を変更することなく、全体的に明らかにコンパクトな構成スペースで形成されている。

図５ａ及び５ｂに、本発明の第６の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な平面図及び概略的な詳細図１０４を示す。第６の実施の形態は、図３ｃに示した第４の実施の形態にほぼ相当する。サイズモ質量体３は２つの他のストッパエレメント１０を有する。これらの他のストッパエレメント１０は、２つの他の対向ストッパエレメント１１と協働する。これらの他の対向ストッパエレメント１１は、固定電極８を基板２に固定するために働く他の固定エレメント１２の部分として形成されており、かつ、特に他の凸部１１′を他の固定エレメント１２に有している。他のストッパエレメント１０は、サイズモ質量体３から出発してセンシング方向１００に対して垂直にかつ固定電極８及び対向電極９に対して平行に夫々延在している弾性的なＬ字形状を有している。最大変位に達する前に、つまり特にセンシング方向１００に対して平行に相対しているストッパエレメント６及び対向ストッパエレメント７の間の機械的な接触を形成する前に、センシング方向１００に沿ったサイズモ質量体３の運動は、他のストッパエレメント１０及び他の対向ストッパエレメント１１によって制動される。固定エレメント４は、特にマイクロマシン構造１の中央領域に配置されている。固定エレメント４の各側方に、櫛歯形電極構造と、特にまさに１対の他のストッパエレメント１０と対向ストッパエレメント１１とが夫々配置されている。

図６ａ及び図６ｂに、本発明の第７の実施の形態に係るマイクロマシン構造１の概略的な平面図及び概略的な詳細１０５の図を示す。第７の実施の形態は、図５ａ及び５ｂに示した第６の実施の形態にほぼ相当する。固定エレメント４の各側方に、２対の他のストッパエレメント１０及び他の対向ストッパエレメント１１が配置されている。したがって特に有利には、ストッパエレメント１０及び対向ストッパエレメント１１は、基板平面に対して垂直に、かつ各他の固定エレメント１２に沿って中心で延在している対称平面に対して鏡面対称的に配置されているので、最大変位に達する前にサイズモ質量体３を制動した場合、他のストッパエレメント１０及び他の対向ストッパエレメント１１のねじりモーメントは、サイズモ質量体３に加えられない。

Claims (10)

1. マイクロマシン構造（１）、特に加速度センサであって、基板（２）と、該基板（２）に対して相対的に可動なサイズモ質量体（３）と、前記基板（２）に不動に接合された少なくとも１つの固定エレメント（４）とを備えており、前記サイズモ質量体（３）は前記固定エレメント（４）を介して前記基板（２）に固定されており、前記サイズモ質量体（３）及び前記固定エレメント（４）の間に少なくとも１つのばねエレメント（５）が配置されている、マイクロマシン構造において、
   前記固定エレメント（４）は、前記サイズモ質量体（３）の少なくとも１つの対向ストッパエレメント（７，７′）と協働する少なくとも１つのストッパエレメント（６，６′）を有していることを特徴とする、マイクロマシン構造。
2. 前記ストッパエレメント（６，６′）及び前記対向ストッパエレメント（７，７′）は、前記マイクロマシン構造（１）のセンシング方向（１００）に沿って及び／又は該センシング方向（１００）に対して垂直に相対して配置されていることを特徴とする、請求項１記載のマイクロマシン構造。
3. 前記ストッパエレメント（６，６′）は前記固定エレメント（４）の凸部として形成されており、かつ／又は、前記対向ストッパエレメント（７，７′）は前記サイズモ質量体（３）の凸部として形成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載のマイクロマシン構造。
4. 前記ストッパエレメント（６，６′）及び／又は前記対向ストッパエレメント（７，７′）は、部分的に弾性的に形成されていてかつ有利にはＬ字形に形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。
5. 前記固定エレメント（４）は前記マイクロマシン構造（１）の中心領域に配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。
6. 前記マイクロマシン構造（１）はサイズモ質量体（３）の対向電極（９）と協働する固定電極（８）を有しており、該固定電極（８）と前記対向電極（９）とは、有利には前記センシング方向（１００）に対して垂直に、互いに係合する櫛歯形電極として構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。
7. 前記マイクロマシン構造（１）は前記サイズモ質量体（３）の対向電極（９）と協働する固定電極（８）を有しており、前記サイズモ質量体（３）は少なくとも１つの他のストッパエレメント（１０）と、少なくとも１つの他の対向ストッパエレメント（１１）とを有しており、該他の対向ストッパエレメント（１１）は前記固定電極（８）に不動に接合されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項、特に請求項１の上位概念部に記載のマイクロマシン構造。
8. 前記他のストッパエレメント（１０）及び／又は前記他の対向ストッパエレメント（１１）は、有利には弾性的に形成されていてかつ特に有利にはＬ字形に形成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。
9. 前記他の対向ストッパエレメント（１１）は前記固定電極（８）及び／又は他の固定エレメント（１２）を有しており、該他の固定エレメント（１２）は、有利には前記固定電極（８）を前記基板（２）に固定するために設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。
10. 前記他のストッパエレメント（１０）は前記固定電極（８）及び前記対向電極（９）に対してほぼ平行に延びていて、かつ、前記センシング方向（１００）に沿って、特に少なくとも１つの前記固定電極（８）と前記他の固定エレメント（１２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項記載のマイクロマシン構造。

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