JP2014062907A - マイクロメカニカル素子および加速度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたマイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の作動方法を提供する。
【解決手段】本発明は、基板２と、１つのサイズモ質量体３と、第１および第２の検出手段４、５を備えるマイクロメカニカル素子１に関する。基板２は主面１００を備える。第１の検出手段４は主面１００に実質的に平行な第１の方向１４’に沿った、サイズモ質量体３の実質的に並進的な第１の変位１４を検出するために設けられる。第２の検出手段５は主面１００に実質的に垂直な第２の方向１５’に平行な第１の回転軸１５’’の周りのサイズモ質量体３の実質的に回転的な第２の変位１５を検出するために設けられる。サイズモ質量体３は非対称なロッカとしてデザイン可能であり、加速度は回転として検出される。検出は容量検出により行うことができる。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載されているマイクロメカニカル素子に関する。

その種のマイクロメカニカル素子は、一般的に知られている。例えば、ＤＥ１９７１９７７９Ａ１公報には、基板に対して可動に設けられ、加速度の作用に基づいて一方向に変位可能な振動構造体と、振動構造体の加速度に起因する変位を検出するための評価手段とを有する加速度センサが開示されている。もっとも、有利とはいえないことに、１つの加速度センサしか有しないことから、互いに垂直な複数の方向に平行な方向における加速度の作用の検出は意図されていない。したがって、多方向の加速度測定のためには、その種の加速度センサを複数使用して、それらを互いに異なって方向づけることが必要である。

ＤＥ１９７１９７７９Ａ１

独立請求項に記載の本発明にかかるマイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の作動方法は従来技術に対して、ただ１つのサイズモ質量体を用いるだけで、少なくとも２つの互いに垂直に方向付けられた、マイクロメカニカル素子への加速度の作用を別個に検出できるという利点を有する。この利点は、第１の方向に実質的に平行なサイズモ質量体の並進運動の形態のサイズモ質量体の第１の変位が第１の検出手段により検出および測定され、さらには、実質的に第１の回転軸の周りのサイズモ質量体の回転運動の形態のサイズモ質量体の第２の変位が第２の検出手段により検出および測定されることにより達成される。したがって、ただ１つのサイズモ質量体を用いるだけで少なくとも２方向の加速度を測定することができる。すなわち、マイクロメカニカル素子は加速力に対して第１の方向においても、この第１の方向に垂直な第３の方向においても同時に感度を有する。したがって、従来技術に比べて、多方向に感度を有する加速度センサを著しく小型に構成することができ、また消費電力を低減することができるので、一方で製造原価を、他方で実装費用を大きく低下させることができる。有利には、サイズモ質量体は、第１の回転軸に関して非対称な質量分布を有するか、第１の回転軸を通りかつ第３の方向に平行に延びる直線に関して非対称な質量分布を有するので、特に、第３の方向に平行な加速度の作用、すなわち、第１の方向に垂直であり、かつ第１の回転軸に垂直な方向の加速度の作用により、サイズモ質量体に作用する回転モーメントが発生する。これにより、サイズモ質量体の第２の変位が、実質的にサイズモ質量体の第１の回転軸の周りの回転という形で生じる。上述した本発明の検出および測定は、特に、各変位のそれぞれの質的および／または量的な識別および決定を含む。

本発明の有利な実施形態および改善形態は、従属請求項、並びに、図面を参照する以下の詳細な説明から理解される。

有利な実施形態によれば、マイクロメカニカル素子は、主面に実質的に平行な第３の方向に平行な第２の回転軸の周りに発生する１つのサイズモ質量体の実質的に回転運動的な第３の変位を検出するための第３の検出手段を備える。これにより特に有利には、第１の方向に平行でありかつ第３の方向に平行な、マイクロメカニカル素子への加速度の作用の測定に加え、第３の検出手段を用いることにより第２の方向に平行なマイクロメカニカル素子への加速度の作用を測定することができるので、３方向加速度センサを実現することができる。特に、サイズモ質量体は第２の回転軸、特に、直線に対応する回転軸に関して非対称な質量分布を有するので、第２の回転軸に垂直でありかつ第１の方向に垂直な方向において、サイズモ質量体に作用する加速力は、サイズモ質量体に作用する別の回転モーメントを発生し、実質的にサイズモ質量体は第２の回転軸の周りを回転する。

好ましい実施形態によれば、サイズモ質量体はロッカとして構成されている。このロッカは、特に、第１の回転軸および／または第２の回転軸に回動するように支承されている。有利には、第１の軸および／または第２の軸に回動するロッカとしてサイズモ質量体を実現することにより、相応する検出手段を例えばサイズモ質量体の下方において、特に簡単に実現することができる。ロッカは、各回転軸に関して、有利には、非対称な質量分布を有する。

別の好ましい実施形態によれば、第１の検出手段、第２の検出手段および／または第３の検出手段は電極、特に、第１の変位、第２の変位および／または第３の変位を容量に基づいて測定するための電極を含む。第１の検出手段および／または第２の検出手段は好ましくは指状電極として構成され、および／または、第３の検出手段は好ましくは平面電極として構成されている。特に好ましくは、比較的簡単かつ低コストに第１の検出手段、第２の検出手段および／または第３の検出手段を実現することができる。特に、それらの演出手段は第１の変位、第２の変位および第３の変位を容量に基づいて測定することにより、第１、第２および／または第３の方向に平行な加速度の作用を比較的正確に検出および測定することができる。特に好ましくは指状電極を使用することにより、第１の方向、第２の方向および／または第３の方向に平行な加速度の作用を差動的に測定することができる。

別の好ましい実施形態によれば、第１の検出手段および／または第２の検出手段は、サイズモ質量体の少なくとも１つの部分領域に配置され、および／または、サイズモ質量体の第１の切り欠き部および第２の切り欠き部に設けられている。これにより、特に好ましくは、第１の検出手段および／または第２の検出手段を比較的小型の構造に組み込むことができ、特に、複数の指状電極をマイクロメカニカル素子およびサイズモ質量体中に組み込むことができる。特に好ましくは、第１の検出手段および／または第２の検出手段により、第１の変位および／または第２の変位の差動的な評価が行われる。

別の好ましい実施形態によれば、第３の検出手段が主面に垂直な方向においてサイズモ質量体に覆われるように配置されている。したがって、好ましくは主面に垂直に方向付けられている第３の方向に平行な第３の変位を特に好ましくは測定することができる。サイズモ質量体の第２の回転軸に関する非対称な質量分布に基づいて、特に好ましくは、サイズモ質量体の「下方に」配置されている第３の検出手段による第３の変位を差動的に評価することができるので、プロセス技術としては比較的煩雑である、サイズモ質量体の「上方に」電極を配置することは、第３の変位を測定するためには必要ではない。

他の好ましい実施形態によれば、サイズモ質量体は、バネ部材、特に、ねじり曲げバネを介して基板と接続されている。第１のバネ部材は、好ましくは、サイズモ質量体の第１の変位、第２の変位および／または第３の変位が発生するように構成されている。特に有利には、第１の方向、第２の方向および第３の方向に平行な加速度の作用を測定するために１つのサイズモ質量体しか使用しないことから、従来技術とは異なり、サイズモ質量体を可動に支承するために第１のバネ部材しか必要とされない。有利には、第１バネ部材は２つのねじり曲げバネを含む。これらのねじり曲げバネは第１の変位の発生中には、ほぼ第１の方向にねじられ、またこれらは第２の変位の発生中には、第１の方向に平行に反対にねじられる。すなわち、２つのねじり曲げバネのうち一方は第１の方向に偏位され、他方は第１の方向に逆平行に偏位される。さらにねじり曲げバネには第３の変位の発生中に、第２の回転軸についてのトーションが生じる。

他の好ましい実施形態によれば、マイクロメカニカル素子は、特に、第１の方向、第２の方向および第３の方向は互いに垂直に方向付けられているので、特に好ましくは、マイクロメカニカル素子に作用する３つ全ての空間方向の加速度を、ただ１つのサイズモ質量体を用いるだけで測定することができる。

本発明の他の対象は、マイクロメカニカル素子の作動方法である。この作動方法においては、サイズモ質量体の実質的に並進運動的な第１の変位の測定により、第１の方向におけるマイクロメカニカル素子の加速度が検出され、サイズモ質量体の実質的に回転的な第２の変位の測定により、第１の方向に実質的に垂直な第２の方向におけるマイクロメカニカル素子の加速度が検出される。これにより、従来技術と異なり、ただ１つのサイズモ質量体を用いるだけで、マイクロメカニカル素子に作用する少なくとも２方向の加速度の測定が、実質的に並進運動的な第１の変位および実質的に回転運動的な第２の変位の測定により可能となる。

好ましい実施形態によれば、第１の方向および第２の方向にそれぞれ実質的に垂直な第３の方向におけるマイクロメカニカル素子の加速度を、サイズモ質量体の実質的に回転運動的な第３の変位の測定により測定することができる。これにより、有利には、ただ１つのサイズモ質量体を用いるだけで、マイクロメカニカル素子への第３の方向に平行な加速度の作用も測定することができる。

他の好ましい実施形態によれば、第１の変位は第１の検出手段により測定され、第２の変位は第２の検出手段により測定され、および／または、第３の変位は第３の検出手段により測定される。これにより、特に好ましくは、第１の方向、第２に方向および／または第３の方向における加速度の作用を、互いに独立して、第１の検出手段、第２の検出手段および／または第３の検出手段により測定することができる。

以下では、図面を参照しつつ、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１ａは、ｘ、ｙおよびｚ方向にそれぞれ感度を持つ、従来技術にかかる加速度センサの概略平面図を示す。 図１ｂは、ｘ、ｙおよびｚ方向にそれぞれ感度を持つ、従来技術にかかる加速度センサの概略平面図を示す。 図１ｃは、ｘ、ｙおよびｚ方向にそれぞれ感度を持つ、従来技術にかかる加速度センサの概略平面図を示す。 図２ａは、ｚ方向にそれぞれ感度を持つ、従来技術にかかる加速度センサの概略側面図を示す。 図２ｂは、ｚ方向にそれぞれ感度を持つ、従来技術にかかる加速度センサの概略側面図を示す。 図３ａは、本発明の例示的実施形態にかかるマイクロメカニカル素子の概略平面図を示す。 図３ｂは、本発明の例示的実施形態にかかるマイクロメカニカル素子の概略平面図を示す。 図３ｃは、本発明の例示的実施形態にかかるマイクロメカニカル素子の概略平面図を示す。

異なる図面中、同一部分には全て同一の参照番号を付しているので、それぞれの部分は全体を通して一度しか説明しない。

図１ａ、１ｂ、１ｃには、ｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれ感度を持つ従来技術にかかる加速度センサの概略平面図が示される。図１ａ中に示される、ｘ方向に平行な方向に感度を持つ加速度センサは、基板２と、サイズモ質量体３とを備えている。ｘ方向は、基板２の主面に平行である。サイズモ質量体３は基板２に相対的にｘ方向に平行に可動であるように、２つのバネ部材２９および２つの固定アンカ３１を介して基板２に固定されている。加速度センサに作用するｘ方向に平行な成分を有する加速力は、基板２とは反対に働くサイズモ質量体３の慣性力に基づき、ｘ方向に平行なサイズモ質量の変位を発生する。この変位は、電極の形態の検出手段３４により測定される。電極は、サイズモ質量体３の切り欠き部に固定されている。サイズモ質量体３あるいはその部分領域は電極に対する対向電極を構成する。これにより、電極と対向電極との間の容量変化によって、サイズモ質量体３の変位を測定することができる。図１ｂには、ｙ方向に平行な加速度の作用を検出するための、ｙ方向に感度を持つ加速度センサが示される。ｙ方向は、主面に平行かつｘ方向に垂直な方向である。ｙ方向に感度を持つ加速度センサは、図１ａに示した、ｘ方向に感度を持つ加速度センサと同一であるが、主面で９０度回転されて配置されている。図１ｃには、ｚ方向に感度を持つ加速度センサが示されている。ｚ方向はｘ方向およびｙ方向に垂直な方向である。ｚ方向に感度を持つ加速度センサは同様に、基板２と、基板２に対して可動な、ロッカの形態のサイズモ質量体３とを備える。サイズモ質量体３は、固定アンカ３１を用いてサイズモ質量体３の切り欠き部内で基板２に固定されており、バネ部材３０を用いて切り欠き部内でバネ部材３０に平行な回転軸３８の周りを回動可能に支承されている。すなわち、回転軸３８は特にｙ方向に平行に設けられ、実質的に軸方向においてバネ部材３０を通って延びている。サイズモ質量体３の質量分布は回転軸３８に関して非対称であるので、加速度センサにｚ方向に平行な加速度が作用することにより、回転軸３８についてサイズモ質量体３が回転する。このサイズモ質量体３の回転を平面電極６によって測定することができる。平面電極６は、サイズモ質量体３の下に、すなわち、ｚ方向でサイズモ質量体３に覆われて基板２上またはその内部に設けられている。したがって、従来技術によれば、３つ全ての方向に作用する加速度を同時に測定するためには、ｘ、ｙ、ｚの３つの方向にそれぞれ感度を持つ複数の加速度センサを使用しなければならなかった。

図２ａ、２ｂに、従来技術にかかる、ｚ方向に感度を持つ加速度センサの概略側面図を示す。また、サイズモ質量体３の質量分布が回転軸３８に関して非対称であることが、補足的に示したサイズモ質量体３の部分領域３２によって明らかにされている。平面電極６とサイズモ質量体３との間で測定される電気容量（図２ｂで平板キャパシタ３３として示される）の値が、回転軸３８についてのサイズモ質量体３の回転中に変化するので、ｚ方向における加速度センサへの加速度の作用を測定することができる。

図３ａ、３ｂ、３ｃには、本発明の例示的実施形態にかかるマイクロメカニカル素子１のサイズモ質量体３の概略平面図が示されており、それぞれに第１の変位１４、第２の変位１５、第３の変位１６が示されている。マイクロメカニカル素子１は、基板２と、サイズモ質量体３と、第１の検出手段４と、第２の検出手段５と、第３の検出手段６とを備える。基板２は主面１００を備える。第１の検出手段４は、図３ａにおいて主面１００に実質的に平行な第１の方向１４’に沿って、実質的に並進運動的なサイズモ質量体３の第１の変位１４を検出するために設けられている。第１の変位１４は、第１の方向１４’に平行な方向におけるマイクロメカニカル素子１への加速度の作用により発生する。第２の検出手段５は、図３ｂ中、主面１００に実質的に垂直な第２の方向１５’に平行な第１の回転軸１５’’の周りに示されている、実質的に回転運動的なサイズモ質量体３の第２の変位１５を検出するために設けられる。サイズモ質量体３は、第１の回転軸１５’’に関して非対称な質量分布を有するか、あるいは、第１の回転軸１５’’を通りかつ第３の方向１６’に平行に延びる直線１１２に関して非対称な質量分布を有しているので、第２の変位１５は、第１の方向１４’および第２の方向１５’にそれぞれ垂直な第３の方向１６’に平行な方向におけるマイクロメカニカル素子１への加速度の作用により発生する。第３の検出手段６は、図３ｃ中、第３の方向１６’に平行な第２の回転軸１６’’の周りに示されている、実質的に回転運動的なサイズモ質量体３の変位１６を検出するために設けられている。第３の変位１６は、第２の方向１５’に平行な方向におけるマイクロメカニカル素子１への加速度の作用、および、直線１１２に関するサイズモ質量体３の非対称な質量分布により発生する。したがって、サイズモ質量体３はロッカとして構成されている。ロッカは、第１の回転軸１５’’および第２の回転軸１６’’の周りをそれぞれ回動可能、または、揺動可能に支承されている。第１の検出手段４および第２の検出手段５はサイズモ質量体３の切り欠き部８内に配置され、また電極として構成されているので、第１の変位１４および第２の変位１５は、各電極の容量変化により、特に図１ａに示されるｘ方向に感度を持つ加速度センサおよび１ｂに示されるｙ方向に感度を持つ加速度センサにおけるように、それぞれ差動的に測定することができる。第３の検出手段６は第２の方向１５’に平行な平面電極として、サイズモ質量体３の下方に配置されており、また特に、図１ｃ、２ａ、２ｂに示したｚ方向に感度を持つ加速度センサとしての原理に従って機能する。サイズモ質量体３は、２つのねじり曲げバネの形態のバネ部材９を介して基板２に固定されており、かつ、第１の変位１４、第２の変位１５、第３の変位１６が発生するように、基板２に対向して可動に支承されている。第１の変位１４の発生中、２つのねじり曲げバネは、ほぼ第１の方向にねじられる。第２の変位１５の発生中、２つのねじり曲げバネは相互に反対方向で第１の方向に対向して平行にねじられる。すなわち、２つのねじり曲げバネの一方は第１の方向に偏位され、他方は第１の方向に逆平行に偏位されるので、サイズモ質量体３は、全体として、実質的に、第１の回転軸１５’’について回転する。第３の変位運動の間、ねじり曲げバネは、ほぼ第２の回転軸１６’’について回転されるので、サイズモ質量体３は実質的に第２の回転軸１６’’について回転する。

２ 基板、 ３ サイズモ質量体、 ６ 平面電極、 ８ 切り欠き部、 ９ バネ部材、 １４ 第１の変位、 １４’ 第１の方向、 １５ 第２の変位、 １５’ 第２の方向、 １５’’ 第１の回転軸、 １６ 第３の変位、 １６’ 第３の方向、 １６’’ 第２の回転軸、 ２９、３０ バネ部材、 ３１ 固定アンカ、 ３３ 平板キャパシタ、 ３４ 検出手段、 ３８ 回転軸、 １００ 主面、 直線 １１２

Claims (7)

1. 基板（２）と、１つのサイズモ質量体（３）と、第１の検出手段（４）および第２の検出手段（５）とを備えるマイクロメカニカル素子（１）であって、
   前記基板（２）は主面（１００）を備え、
   前記第１の検出手段（４）は、前記主面（１００）に平行な第１の方向（１４’）に沿った、前記サイズモ質量体（３）の並進運動的な第１の変位（１４）を検出するために設けられ、
   前記第２の検出手段（５）は、前記主面（１００）に垂直な第２の方向（１５’）に平行な第１の回転軸（１５’’）の周りの、前記サイズモ質量体（３）の回転運動的な第２の変位（１５）を検出するために設けられており、
   前記主面（１００）に平行な第３の方向（１６’）に平行な第２の回転軸（１６’’）の周りの、前記サイズモ質量体（３）の回転運動的な第３の変位（１６）を検出するための第３の検出手段（６）を備え、
   前記第１の方向（１４’）、前記第２の方向（１５’）および前記第３の方向（１６’）は互いに垂直に方向付けられており、
   前記サイズモ質量体（３）は、２つのねじり曲げバネの形態のバネ部材（９）を介して前記基板（２）に固定されており、かつ、前記第１の変位（１４）、前記第２の変位（１５）および前記第３の変位（１６）を可能とするように、前記基板（２）に対して可動に設けられており、
   前記２つのねじり曲げバネは、以下のように、すなわち、
   − 前記第１の変位（１４）の際、前記２つのねじり曲げバネがほぼ前記第１の方向（１４’）に曲げられ、
   − 前記第２の変位（１５）の際、前記２つのねじり曲げバネの一方は前記第１の方向（１４’）に変位され、前記２つのねじり曲げバネの他方は、前記第１の方向（１４’）に逆平行に変位され、
   − 前記第３の変位（１６）の際、前記２つのねじり曲げバネは、ほぼ前記第２の回転軸（１６’’）の回りに回転され、前記サイズモ質量体（３）は実質的に前記第２の回転軸（１６’’）の回りを回転する、
   ように構成されている、
   ことを特徴とするマイクロメカニカル素子。
2. 前記サイズモ質量体（３）は、ロッカとして構成されており、該ロッカは有利には前記第１の回転軸（１５’’）および／または前記第２の回転軸（１６’’）の周りに回動可能に支承されている、請求項１記載のマイクロメカニカル素子。
3. 前記第１の検出手段（４）、前記第２の検出手段（５）および／または前記第３の検出手段（６）は、前記第１の変位（１４）、前記第２の変位（１５）および／または前記第３の変位（１６）を容量に基づいて測定するための電極を有し、前記第１の検出手段（４）および／または前記第２の検出手段（５）は櫛状電極および／または指状電極として構成され、ならびに／あるいは、前記第３の検出手段（６）は平面電極として構成されている、請求項１または２記載のマイクロメカニカル素子。
4. 前記第１の検出手段（４）および／または前記第２の検出手段（５）は、前記サイズモ質量体（３）の少なくとも１つの部分領域に配置され、および／または、前記サイズモ質量体（３）の切り欠き部（８）に配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
5. 前記第３の検出手段（６）は、前記主面（１００）に垂直な方向において、前記サイズモ質量体（３）に覆われて配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
6. 前記サイズモ質量体（３）は、バネ部材（９）を介して前記基板（２）に接続され、前記バネ部材（９）は、有利には、前記サイズモ質量体（３）の前記第１の変位（１４）、前記第２の変位（１５）および／または前記第３の変位（１６）が発生するように構成されている、請求項１乃至５のいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
7. 基板（２）と、１つのサイズモ質量体（３）と、第１の検出手段（４）および第２の検出手段（５）とを備えるマイクロメカニカル素子（１）であって、
   前記基板（２）は主面（１００）を備え、
   前記第１の検出手段（４）は、前記主面（１００）に平行な第１の方向（１４’）に沿った、前記サイズモ質量体（３）の並進運動的な第１の変位（１４）を検出するために設けられているマイクロメカニカル素子を用いた加速度検出方法であって、
   前記第２の検出手段（５）は、前記主面（１００）に垂直な第２の方向（１５’）に平行な第１の回転軸（１５’’）の周りの、前記サイズモ質量体（３）の回転運動的な第２の変位（１５）を検出するために設けられており、
   前記マイクロメカニカル素子（１）は、前記主面（１００）に平行な第３の方向（１６’）に平行な第２の回転軸（１６’’）の周りの、前記サイズモ質量体（３）の回転運動的な第３の変位（１６）を検出するための第３の検出手段（６）を備えており、
   前記第１の方向（１４’）における前記マイクロメカニカル素子（１）の加速度を、前記サイズモ質量体（３）の並進運動的な前記第１の変位（１４）の測定により検出し、および、前記第１の方向（１４’）に垂直な第３の方向（１６’）における前記マイクロメカニカル素子（１）の加速度を、前記サイズモ質量体（３）の回転運動的な前記第２の変位（１５）の測定により検出し、
   前記第１の方向（１４’）および前記第３の方向（１６’）にそれぞれ垂直な前記第２の方向（１５’）における、前記マイクロメカニカル素子（１）の加速度を、前記サイズモ質量体（３）の実質的に回転運動的な前記第３の変位（１６）の測定により検出し、
   前記サイズモ質量体（３）は、２つのねじり曲げバネの形態のバネ部材（９）を介して前記基板（２）に固定されており、かつ、前記第１の変位（１４）、前記第２の変位（１５）および前記第３の変位（１６）を可能とするように、前記基板（２）に対して可動に設けられており、
   − 前記第１の変位（１４）の際、前記２つのねじり曲げバネがほぼ前記第１の方向に曲げられ、
   − 前記第２の変位（１５）の際、前記２つのねじり曲げバネの一方は前記第１の方向（１４’）に変位され、前記２つのねじり曲げバネの他方は、前記第１の方向（１４’）に逆平行に変位され、
   − 前記第３の変位（１６）の際、前記２つのねじり曲げバネは、ほぼ前記第２の回転軸（１６’’）の回りに回転され、前記サイズモ質量体（３）は実質的に前記第２の回転軸（１６’’）の回りを回転する、
   ことを特徴とする加速度検出方法。

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