JP5058879B2 - MEMS acceleration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、可動錘の動きに基づいて測定対象物の加速度を検出するMEMS加速度センサに関する。 The present invention relates to a MEMS acceleration sensor that detects the acceleration of a measurement object based on the movement of a movable weight.
建造物の揺れの測定、装置の機械的強度の測定等には、測定対象物の振動加速度を測定する加速度センサが用いられる。また、可動部を有する各種機械装置には、可動部の加速度を検出し制御するものがある。このような機械装置にも加速度センサが用いられる。 An acceleration sensor that measures vibration acceleration of an object to be measured is used for measurement of shaking of a building, measurement of mechanical strength of an apparatus, and the like. In addition, there are various mechanical devices having a movable part that detect and control the acceleration of the movable part. An acceleration sensor is also used for such a mechanical device.
加速度センサは、測定対象物への取り付けが容易となるよう小型化することが好ましい。そのため、加速度センサには、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical System)として構成されたMEMS加速度センサが広く用いられる。MEMS加速度センサには、シリコン等で形成された錘を備え、錘の振動に応じて電気信号を発生させるものがある。 The acceleration sensor is preferably downsized so that it can be easily attached to the measurement object. Therefore, a MEMS acceleration sensor configured as a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical System) is widely used as the acceleration sensor. Some MEMS acceleration sensors include a weight formed of silicon or the like, and generate an electric signal according to the vibration of the weight.
MEMS加速度センサの錘には、それを取り巻く気体分子が衝突する。これによって錘は振動し、測定対象物が加速度を発生していなくても、MEMS加速度センサからノイズが出力される。このノイズは、錘の質量が小さい程大きくなることが知られている。したがって、MEMS加速度センサを小型化させるために錘の体積を低減して錘を軽量化すると、このようなノイズのレベルが増加し、MEMS加速度センサの測定分解能が低下するという問題が生ずる。 Gas molecules surrounding it collide with the weight of the MEMS acceleration sensor. As a result, the weight vibrates and noise is output from the MEMS acceleration sensor even if the measurement object does not generate acceleration. It is known that this noise increases as the mass of the weight decreases. Therefore, if the weight of the weight is reduced by reducing the weight of the MEMS acceleration sensor in order to reduce the size of the MEMS acceleration sensor, such a noise level increases and the measurement resolution of the MEMS acceleration sensor decreases.
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、小型であり、測定分解能が高いMEMS加速度センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made for such a problem. That is, an object is to provide a MEMS acceleration sensor that is small and has high measurement resolution.
本発明は、与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するMEMS加速度センサにおいて、前記可動錘は、欠損部を有する基本部材と、前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、を備え、前記基本部材は、回転対称形状に形成され、前記MEMS加速度センサは、前記可動錘が前記基本部材の回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備え、前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、前記支持筐体は、当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持し、前記可動錘の重心は、前記可動錘を形成する材料の密度が一様であると仮定した場合における重心に一致していることを特徴とする。 The present invention provides a MEMS acceleration sensor that includes a movable weight that can be displaced according to a given acceleration, and that outputs a detection amount according to the movement of the movable weight. provided in the defect, e Bei and a dense member density is higher than the primary member, the base member is formed in a rotationally symmetrical shape, the MEMS acceleration sensor, the movable weight is of the primary member A support housing that supports the movable weight via a spring so as to be displaced in a rotationally symmetric axis direction, the spring including a plurality of leaf springs provided so that plate surfaces overlap in parallel; Supports the movable weight via the plurality of leaf springs so that the movable weight can be displaced in a direction perpendicular to the plate surfaces of the plurality of leaf springs, and the center of gravity of the movable weight is The density of the material forming the weight is uniform Characterized in that it coincides with the center of gravity when it is assumed that.
また、本発明は、与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するMEMS加速度センサにおいて、前記可動錘は、欠損部を有する基本部材と、前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、を備え、前記基本部材は、回転対称形状の板面を有する板状に形成され、前記MEMS加速度センサは、前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備え、前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、前記支持筐体は、当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持し、前記MEMS加速度センサは、前記基本部材の板面とその板面が対向し、前記基本部材の板面との間に空間を隔てて配置される筐体板を備え、前記欠損部は、前記筐体板を臨む面に開口を有し、前記高密度部材は、前記筐体板を臨む面に非充填空間が形成されるよう前記欠損部に充填されることを特徴とする。 The present invention also provides a MEMS acceleration sensor that includes a movable weight that can be displaced according to a given acceleration, and that outputs a detection amount according to the movement of the movable weight. And a high density member having a higher density than the basic member, the basic member is formed in a plate shape having a rotationally symmetric plate surface, and the MEMS acceleration sensor is A support housing is provided for supporting the movable weight via a spring so that the movable weight is displaced in a rotationally symmetric axial direction perpendicular to the plate surface of the basic member, and the spring is provided so that the plate surfaces overlap in parallel. A plurality of leaf springs, and the support housing is configured to move the movable weight via the plurality of leaf springs so that the movable weight can be displaced in a direction perpendicular to the plate surfaces of the plurality of leaf springs. The MEMS acceleration sensor A plate surface of the basic member and the plate surface thereof are opposed to each other, and a housing plate is disposed with a space between the plate surface of the basic member, and the defect portion faces the housing plate The high-density member is filled in the defect portion so that an unfilled space is formed on a surface facing the housing plate .
また、本発明に係るMEMS加速度センサにおいては、前記基本部材は、シリコンまたはガラスを含んで形成され、前記高密度部材は、金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、またはタンタルのうちいずれかを含んで形成されることが好適である。 In the MEMS acceleration sensor according to the present invention, the basic member includes silicon or glass, and the high-density member includes gold germanium, gold silicon, gold, platinum, iridium, nickel, copper, tungsten, Alternatively, it is preferable to include any of tantalum .
本発明によれば、小型であり、測定分解能が高いMEMS加速度センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a MEMS acceleration sensor that is small and has high measurement resolution.
図1に本発明の第1の実施形態に係るMEMS加速度センサ10の分解斜視図を示す。また、図2(a)に図1に示したセンサ本体部12を上から見た図を、図2(b)に、図2(a)の直線ABでMEMS加速度センサ10を切断した場合の断面図を示す。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a
MEMS加速度センサ10は、測定対象物の変位量を電気物理量に変換するものである。MEMS加速度センサ10は加速度の測定対象物に固定される。測定対象物の動きは可動錘20に伝えられ、可動錘20は測定対象物の動きに応じて変位する。これによって、下側容量電極24と上側容量電極26との間の静電容量が変化するため、静電容量またはそれに応じた電気物理量を測定することにより測定対象物の加速度を測定することができる。
The
MEMS加速度センサ10は、MEMS加速度センサ10の筐体の一部をなす下側ガラス板14および上側ガラス板16、ならびに下側ガラス板14および上側ガラス板16に挟まれるセンサ本体部12を備えて構成される。
The
センサ本体部12は、内側壁面が円筒形状をなすセンサ筐体枠18を備える。センサ筐体枠18の材料にはシリコンを用いることができる。センサ筐体枠18の枠内には円板形状の可動錘20が設けられる。可動錘20の上側円板面の周囲および下側円板面の周囲には、センサ筐体枠18の内側壁面との間に橋渡される板ばね22が等角度間隔で取り付けられる。各板ばね22は、可動錘20とセンサ筐体枠18との間の隙間を斜めに横切るよう可動錘20とセンサ筐体枠18との間に橋渡される。また、可動錘20の上側円板面に取り付けられる板ばね22と、可動錘20の下側円板面に取り付けられる各板ばね22とは、互いに板面が向き合うよう平行に配置され、互いに板面を向き合わせて配置される一対の板ばね22は平行板ばねを形成する。センサ筐体枠18、可動錘20、および板ばね22は、シリコンによって一体形成することができる。可動錘20には、MEMS加速度センサ10の性能を向上させるための高密度部材34が付加される。高密度部材34、MEMS加速度センサ10の性能向上等については後述する。
The
このような構成によれば、可動錘20の円板面とセンサ筐体枠18の枠開口面とが平行となるよう、可動錘20をセンサ筐体枠18の枠内に支持することができる。可動錘20は、測定対象物が静止している場合には、板ばね22の弾性力によってセンサ筐体枠18の枠内の安定位置に支持される。そして、測定対象物が動いたときは、安定位置に戻される弾性力を板ばね22から受けつつ、測定対象物の動きに応じて円板面に垂直な方向に変位する。
According to such a configuration, the
可動錘20の上側円板面の周囲および下側円板面の周囲に等角度間隔で板ばね22が取り付けられることで、可動錘20の変位方向のぶれを小さくすることができる。また、可動錘20とセンサ筐体枠18との間の隙間を斜めに横切るよう板ばね22を設けることで、板ばね22を長くして板ばね22のたわみを大きくすることができ、加速度の測定範囲を大きくすることができる。さらに、可動錘20の上側円板面に取り付けられる板ばね22と、可動錘20の下側円板面に取り付けられる板ばね22との対が平行板ばねを形成することにより、可動錘20の変位方向を安定化させることができる。すなわち、円板面に垂直な方向以外の方向の加速度が可動錘20に与えられたとしても、可動錘20が円板面に垂直な方向以外の方向に変位することを回避することができる。
The
センサ本体部12の底面には、センサ筐体枠18の下側の開口面を塞ぐよう、下側ガラス板14が取り付けられる。また、センサ本体部12の上面には、センサ筐体枠18の上側の開口面を塞ぐよう、上側ガラス板16が取り付けられる。センサ筐体枠18をシリコンで形成した場合、下側ガラス板14および上側ガラス板16の取り付けには、陽極接合法を用いることができる。このような構成よって、可動錘20は、下側ガラス板14、上側ガラス板16、およびセンサ筐体枠18によって密閉される。
A
下側ガラス板14の可動錘20を臨む側の面には、可動錘20の下側円板面と対向する下側容量電極24が設けられる。同様に、上側ガラス板16の可動錘20を臨む側の面には、可動錘20の上側円板面と対向する上側容量電極26が設けられる。
A
さらに、下側ガラス板14の下側容量電極24が設けられる面の反対面には下側端子電極28が、上側ガラス板16の上側容量電極26が設けられる面の反対面には上側端子電極30が、それぞれ設けられる。下側容量電極24と下側端子電極28とは、下側ガラス板14に設けられたスルーホール32によって電気的に接続される。同様に、上側容量電極26と上側端子電極30とは、上側ガラス板16に設けられたスルーホール32によって電気的に接続される。なお、スルーホールを設ける代わりに、下側ガラス板14および上側ガラス板16に、それぞれ、下側容量電極24および上側容量電極26から引き出される導体パターンを設け、導体パターンに接続される端子をMEMS加速度センサ10の外側表面に設ける構成としてもよい。
Further, the
下側容量電極24、上側容量電極26、下側端子電極28、上側端子電極30等、下側ガラス板14および上側ガラス板16に付着させる導体薄膜は、蒸着、スパッタリング等によって形成することができる。材料としては、ガラスとの密着強度が強いチタン、酸化し難い白金等を用いることができる。例えば、ガラス面にチタンを付着させ、重ねて白金を付着させることで、ガラスとの密着性を高めると共に耐酸化性を高めることができる。
The conductive thin films attached to the
MEMS加速度センサ10は、測定対象物の加速度測定方向と可動錘20の変位方向とが一致するよう測定対象物に固定する。測定対象物が動くことにより、可動錘20は図2(b)の上方向または下方向に変位する。これによって、上側容量電極26と下側容量電極24との間の静電容量が変化し、上側端子電極30および下側端子電極28との間の静電容量が変化する。上側端子電極30および下側端子電極28に接続される測定装置は、上側端子電極30および下側端子電極28との間の静電容量の変化を測定し、測定結果に応じて測定対象物の加速度を測定する。
The
なお、本実施形態では、可動錘の形状を円板形状としたが、必ずしも円板形状とする必要はなく、一般的な多角形の板状に形成してもよい。この多角形は回転対称形状とし、可動錘が回転対称軸方向に変位するよう構成することが好ましい。センサ筐体枠の内側壁面の形状は、可動錘の形状に応じて決定すればよい。さらに、より一般的に、可動錘の形状を板状ではない回転対称な立体形状とし、可動錘を回転対称軸方向に変位するよう構成してもよい。 In this embodiment, the shape of the movable weight is a disc shape. However, the movable weight is not necessarily a disc shape, and may be formed in a general polygonal plate shape. It is preferable that the polygon has a rotationally symmetric shape so that the movable weight is displaced in the rotationally symmetric axis direction. The shape of the inner wall surface of the sensor housing frame may be determined according to the shape of the movable weight. Furthermore, more generally, the movable weight may be configured as a rotationally symmetrical solid shape that is not a plate shape, and the movable weight may be displaced in the rotationally symmetric axis direction.
また、本実施形態では、センサ本体部12を下側ガラス板14および上側ガラス板16で挟んだ構成を採用している。センサ本体部12を挟む板状の部材としては、ガラス板の代わりにシリコンや金属板を用いてもよい。
In the present embodiment, a configuration in which the sensor
次に、可動錘20の詳細な構成について説明する。一般的なMEMS加速度センサの内部空間には気体が存在し、可動錘には気体分子が衝突する。これによって可動錘は振動し、測定対象物が静止していてもMEMS加速度センサからノイズが出力される。このノイズは、可動錘の質量が小さい程大きくなることが知られている。したがって、MEMS加速度センサを小型化させるために可動錘の体積を低減して錘を軽量化すると、このようなノイズのレベルが増加し、MEMS加速度センサの測定分解能が低下するという問題が生ずる。
Next, a detailed configuration of the
そこで、本実施形態に係る可動錘20は、体積を一定にしつつ質量を増加させる構成とする。可動錘20には、上側円板面から下側円板面へと可動錘20を貫く高密度部材穴36を円板面の中心に設ける。また、高密度部材穴36の形状は、円板面の垂直方向に延伸する円筒形状とする。
Therefore, the
可動錘の板面を円形以外の一般的な回転対称形状とする場合には、高密度部材穴は、可動錘の板面の回転対称な位置に設けることが好ましい。また、高密度部材穴は、可動錘の回転対称軸上に可動錘の重心が位置するような立体的形状とすることが好ましい。 When the plate surface of the movable weight has a general rotationally symmetric shape other than a circle, the high-density member hole is preferably provided at a rotationally symmetric position on the plate surface of the movable weight. Moreover, it is preferable that the high-density member hole has a three-dimensional shape such that the center of gravity of the movable weight is located on the rotational symmetry axis of the movable weight.
高密度部材穴36には、基本部材よりも密度が高い高密度部材34が充填される。ここで基本部材とは、高密度部材穴36以外の可動錘20の部分を形成する部材をいう。基本部材としてシリコンを用いた場合、高密度部材34には、金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、タンタル等を用いることができる。
The high
金ゲルマニウム(ゲルマニウム含有率12%、密度14.7g/cc)、金シリコン(シリコン含有率1%、密度18.0g/cc)はシリコンより融点が低い。したがって、これらの材料は、溶融させることで高密度部材穴36に充填することができる。
Gold germanium (
金(密度19.3g/cc)、白金(密度21.5g/cc)、イリジウム(密度22.7g/cc)、ニッケル(密度8.9g/cc)、銅(8.9g/cc)は、電解めっきまたは無電解めっきによってシリコンに付着させることができる。したがって、これらの材料は、電解めっきまたは無電解めっきによって高密度部材穴36に充填することができる。
Gold (density 19.3 g / cc), platinum (density 21.5 g / cc), iridium (density 22.7 g / cc), nickel (density 8.9 g / cc), copper (8.9 g / cc) It can be attached to silicon by electrolytic plating or electroless plating. Therefore, these materials can be filled in the high-
タングステン(密度19.3g/cc)、タンタル(密度16.7g/cc)は、蒸着、スパッタリング、CVD等の気相蒸着によってシリコンに付着させることができる。したがって、これらの材料は、気相蒸着によって高密度部材穴36に充填することができる。
Tungsten (density 19.3 g / cc) and tantalum (density 16.7 g / cc) can be attached to silicon by vapor deposition such as vapor deposition, sputtering, and CVD. Therefore, these materials can be filled into the high-
なお、放電コーティングでシリコンに付着させることが可能であり、シリコンより密度が高い金属を高密度部材穴36に充填する製造工程を採用してもよい。さらに、シリコンより密度が高い金属片を、高密度部材穴36に挿入し、めっき、溶融金属充填等によってその金属片を高密度部材穴36内に固定する製造工程を採用してもよい。
Note that a manufacturing process in which the high-
本実施形態に係るMEMS加速度センサ10によれば、可動錘の体積が一定であるという条件の下、シリコン単体で可動錘を形成した場合に比して、可動錘の質量を増加させることができる。これによって、気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動を低減し、MEMS加速度センサ10から出力されるノイズを低減することができる。したがって、加速度の測定分解能を向上させることができる。
According to the
また、可動錘の板面の回転対称位置に高密度部材穴を配置し、回転対称軸に重心が位置するよう可動錘を形成し、さらに、回転対称軸方向に変位するよう可動錘を支持する場合には、可動錘の変位方向のぶれを小さくすることができる。これによって、測定精度を向上させることができる。また、高密度部材が備えられた可動錘の重心が、可動錘の三次元中心(可動錘を形成する材料の密度が一様であると仮定した場合における重心)に一致している場合には、可動錘の変位方向に一致する方向に与えられた加速度によって回転モーメントが発生することがない。これによって、より正確な加速度が検出可能となるという優れた効果を発揮する。 In addition, a high-density member hole is arranged at a rotationally symmetric position on the plate surface of the movable weight, the movable weight is formed so that the center of gravity is located on the rotationally symmetric axis, and the movable weight is supported so as to be displaced in the rotationally symmetric axis direction. In this case, the displacement of the movable weight in the displacement direction can be reduced. Thereby, measurement accuracy can be improved. When the center of gravity of the movable weight provided with the high-density member is coincident with the three-dimensional center of the movable weight (the center of gravity when the density of the material forming the movable weight is assumed to be uniform) Rotational moment is not generated by the acceleration applied in the direction coinciding with the displacement direction of the movable weight. As a result, an excellent effect that more accurate acceleration can be detected is exhibited.
図3(a)および(b)に第1の実施形態の応用例に係るMEMS加速度センサ38の構成を示す。図3(a)はセンサ本体部40を上から見た図を、図3(b)は直線ABでMEMS加速度センサ38を切断した場合の断面図を示す。図1および図2のMEMS加速度センサ10と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
FIGS. 3A and 3B show the configuration of the
MEMS加速度センサ38は、複数の高密度部材穴36を設けたものである。ここでは、可動錘42の円板面の中心を垂直に貫く直線を回転対称軸とする回転対称な位置に、4個の高密度部材穴36を設ける。各高密度部材穴36は、可動錘42の円板面に対して垂直な方向に延伸する円筒形状を有する。各高密度部材穴36は、可動錘42の上側円板面から下側円板面へと可動錘42を貫く。各高密度部材穴36には、高密度部材34が充填される。
The
複数の高密度部材穴36を設けることにより、気体分子の衝突による可動錘42のノイズ振動を低減し、MEMS加速度センサ38から出力されるノイズを低減する効果を高めることができる。
By providing a plurality of high-density member holes 36, it is possible to reduce noise vibration of the
また、高密度部材穴36としては、可動錘42を貫通するものではなく、所定の深さを以て行き止まりとなる袋穴を採用してもよい。図3(c)に袋穴を採用したMEMS加速度センサ44の構成を示す。このような構成によれば、高密度部材34を充填する工程を迅速に完了させることができる。ここでは、複数の高密度部材穴36を設けた場合について袋穴を採用したものとしたが、図1および図2に示す構成において袋穴を採用してもよい。
Further, as the high-
図4(a)および(b)に本発明の第2の実施形態に係るMEMS加速度センサ46の構成を示す。図4(a)はセンサ本体部48を上から見た図を、図4(b)は直線ABでMEMS加速度センサ46を切断した場合の断面図を示す。図1および図2のMEMS加速度センサ10と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
4A and 4B show the configuration of the
本実施形態は、気体分子の衝突に基づく可動錘のノイズ振動をさらに低減するものである。一般に、可動錘の周りの気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動は、可動錘の周りの気体の圧力が小さい程小さくなる。したがって、可動錘の周りの気体の圧力を低減することによって、可動錘のノイズ振動を小さくし測定分解能を向上させることができる。 In the present embodiment, noise vibration of the movable weight due to collision of gas molecules is further reduced. In general, the noise vibration of the movable weight due to the collision of gas molecules around the movable weight becomes smaller as the gas pressure around the movable weight is smaller. Therefore, by reducing the pressure of the gas around the movable weight, the noise vibration of the movable weight can be reduced and the measurement resolution can be improved.
可動錘の周りの気体の圧力を低減するためには、可動錘の変位に対する気体体積の圧縮率を低減すればよい。そのためには、可動錘と下側ガラス板との間の距離、および可動錘と上側ガラス板との間の距離を大きくし、可動錘と下側容量電極との間に挟まれる気体の体積、および可動錘と上側容量電極との間に挟まれる気体の体積を大きくすることが考えられる。しかし、このような構成とすると、MEMS加速度センサが大型となってしまう。 In order to reduce the pressure of the gas around the movable weight, the compressibility of the gas volume with respect to the displacement of the movable weight may be reduced. For that purpose, the distance between the movable weight and the lower glass plate, and the distance between the movable weight and the upper glass plate are increased, and the volume of the gas sandwiched between the movable weight and the lower capacitive electrode, It is also conceivable to increase the volume of the gas sandwiched between the movable weight and the upper capacitive electrode. However, with such a configuration, the MEMS acceleration sensor becomes large.
そこで、第2の実施形態に係るMEMS加速度センサ46では、可動錘50の板面の中心付近を凹ませた構成とし、可動錘50の周りの気体の圧力の上昇を緩和する。図4(a)および(b)に示すMEMS加速度センサ46の可動錘50の基本部材は、図2(a)および(b)に示すMEMS加速度センサ10の可動錘20の基本部材と同一の形状を有するものとする。
Therefore, in the
高密度部材34は、高密度部材穴36の内部の全空間には充填せず、下側容量電極24を臨む面、および上側容量電極26を臨む面に非充填空間を残す。これによって、可動錘50の各板面に凹みを設けることができる。
The high-
このような構成によれば、可動錘50が下側容量電極24に近づいたときの可動錘50と下側ガラス板14との間に挟まれる気体の圧力の上昇、および可動錘50が上側容量電極26に近づいたときの可動錘50と上側ガラス板16との間に挟まれる気体の圧力の上昇を緩和することができる。これによって、気体分子の衝突による可動錘50のノイズ振動を小さくすることができ、測定分解能を向上させることができる。可動錘50の凹みを板面の中心に設けることで、気圧上昇を緩和する効果を密閉空間に均等に及ぼしめることができるため、ノイズ振動の低減効果を高めることができる。
According to such a configuration, when the
図4(c)および(d)に、第2の実施形態の応用例に係るMEMS加速度センサ52を示す。図4(c)はセンサ本体部54を上から見た図を、図4(d)は直線ABでMEMS加速度センサ52を切断した場合の断面図を示す。図1〜図3に示すMEMS加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
FIGS. 4C and 4D show a
本応用例は、複数の高密度部材穴36を設けると共に、可動錘56の円板面の中心付近を凹ませた構成としたものである。可動錘56の円板面の中心に設けられた高密度部材穴36の内部の全空間には高密度部材34を充填せず、下側容量電極24を臨む面、および上側容量電極26を臨む面に非充填空間を残す。可動錘56の円板面の中心を取り囲んで設けられる高密度部材穴36は袋穴とする。このような構成によれば、高密度部材34を充填させる製造工程を迅速に完了させることができると共に、測定分解能が高いMEMS加速度センサを構成することができる。
In this application example, a plurality of high-density member holes 36 are provided and the vicinity of the center of the disk surface of the
図5(a)および(b)に、第3の実施形態に係るMEMS加速度センサ58の構成を示す。図5(a)はセンサ本体部60を上から見た図を、図5(b)は直線ABでMEMS加速度センサ58を切断した場合の断面図を示す。図1〜図4に示すMEMS加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
5A and 5B show a configuration of a
上述の第1および第2の実施形態では、高密度部材穴に高密度部材を充填した構成を採用している。このような構成によれば、高密度部材を溶融させることによって迅速に製造工程を完了させることができる。しかし、めっき、気相蒸着等によって高密度部材を充填する場合には、溶融金属充填よりも工程を完了するまでに長時間を要することが多い。そこで、第3の実施形態に係る可動錘62では、板状に形成した基本部材に高密度部材34を層状に付着させる。
In the first and second embodiments described above, a configuration in which the high density member hole is filled with the high density member is employed. According to such a configuration, the manufacturing process can be completed quickly by melting the high-density member. However, when a high-density member is filled by plating, vapor deposition or the like, it often takes a longer time to complete the process than filling a molten metal. Therefore, in the
可動錘62の各円板面には、めっき、気相蒸着等によって高密度部材34を付着させる。高密度部材34の材料として、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅等を用いる場合には、電解めっきまたは無電解めっきを採用することができる。高密度部材34の材料として、タングステン、タンタル等を用いる場合には、気相蒸着を採用することができる。このような構成によれば、めっき、気相蒸着等によって高密度部材穴に高密度部材を充填する構成に比して、製造に要する時間を短縮することができる。
A
図6(a)および(b)に、第4の実施形態に係るMEMS加速度センサ66の構成を示す。図6(a)はセンサ本体部68を上から見た図を、図6(b)は直線ABでMEMS加速度センサ66を切断した場合の断面図を示す。図1〜図5に示すMEMS加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態は、可動錘70を2枚の基本部材72を備えるものとし、2枚の基本部材72の間に高密度部材34を挟む構成としたものである。基本部材72と高密度部材34との間の境界は必ずしも化学物質として連続である必要はない。したがって、基本部材72および高密度部材34が一体化して変位するよう、基本部材72および高密度部材34が接合されていればよい。
FIGS. 6A and 6B show the configuration of the
図7(a)および(b)に、第5の実施形態に係るMEMS加速度センサ74の構成を示す。図7(a)はセンサ本体部76を上から見た図を、図7(b)は直線ABでMEMS加速度センサ74を切断した場合の断面図を示す。図1〜図6に示すMEMS加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
7A and 7B show the configuration of the
上述の第1〜第4の実施形態では、可動錘の変位に応じた、上側容量電極26と下側容量電極24との間の静電容量の変化に基づいて測定対象物の加速度を検出する。これに対し第5の実施形態では、板ばね22にピエゾ抵抗素子78を設け、板ばね22の変形に応じたピエゾ抵抗素子78の抵抗値の変化に基づいて測定対象物の加速度を検出する。
In the first to fourth embodiments described above, the acceleration of the measurement object is detected based on the change in capacitance between the
図7の可動錘20の構成は、図2の可動錘20と同一の構成を有する。板ばね22には、ピエゾ抵抗材料をめっき、気相蒸着等により付着させることにより、ピエゾ抵抗素子78を設ける。ピエゾ抵抗素子78からは、MEMS加速度センサ74の外側表面に導体パターン(図示せず。)が引き出される。そして、MEMS加速度センサ74の外側表面には、導体パターンに電気的に接続される検出端子(図示せず。)を設ける。
The configuration of the
MEMS加速度センサ74は、測定対象物の加速度測定方向と可動錘20の変位方向とが一致するよう測定対象物に固定する。測定対象物が動くことにより、可動錘20は図7(b)の上方向または下方向に変位する。これによって、板ばね22が変形し、ピエゾ抵抗素子78の抵抗値が変化する。検出端子に接続される測定装置は、ピエゾ抵抗素子78の抵抗値の変化を測定し、測定結果に応じて測定対象物の加速度を測定する。
The
このように、ピエゾ抵抗素子を用いた場合であっても、静電容量電極を用いた場合と同様、気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動を低減し、MEMS加速度センサから出力されるノイズを低減する効果を得ることができる。ここでは、第5の実施形態として、図2の可動錘20と同一の構成を有する可動錘を用いた場合について説明したが、図3〜図6に示した各可動錘と同一の構成を有する可動錘を用いることもできる。
As described above, even when the piezoresistive element is used, the noise vibration of the movable weight due to the collision of gas molecules is reduced and the noise output from the MEMS acceleration sensor is reduced as in the case of using the capacitive electrode. The effect to reduce can be acquired. Here, the case where a movable weight having the same configuration as that of the
図8(a)および(b)に、第6の実施形態に係るMEMS加速度センサ80の構成を示す。図8(a)はセンサ本体部82を上から見た図を、図8(b)は直線ABでMEMS加速度センサ80を切断した場合の断面図を示す。図1〜図7に示すMEMS加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
8A and 8B show a configuration of a
第6の実施形態は、基本部材として、シリコンの他、パイレックス(登録商標)、テンパックス(登録商標)等のガラスを用いたものである。可動錘84は、2枚の円板状シリコン板86と、2枚の円板状シリコン板86に挟まれた錘用ガラス88を備えて構成される。可動錘84には、上側円板面および下側円板面に垂直な方向に延伸し、上側円板面の中心から下側円板面の中心へと可動錘84を貫く高密度部材穴36を設ける。高密度部材穴36には高密度部材34を充填する。錘用ガラス88と円板状シリコン86とは、陽極接合法によって接合することができる。一般にガラスは弾力性が乏しいため、板ばね22の材料としてはその他の材料を用いることが好ましい。そこで、本実施形態では、円板状シリコン86と錘用ガラス88とを重ね合わせることで、円板状シリコン86と板ばね22とを一体形成し、板ばね22をシリコンによって形成する。これによって、可動錘84の材料としてガラスを用いた場合であっても、センサ筐体枠18の枠内の安定位置に可動錘84を支持することができると共に、測定対象物の動きに応じて可動錘84を弾性的に変位させることができる。
In the sixth embodiment, glass such as Pyrex (registered trademark) or Tempax (registered trademark) is used as a basic member in addition to silicon. The
図9に設計参考資料として高密度部材充填率[%]を横軸にとり、体積一定条件下における、シリコン単体の質量に対する質量比[%]を縦軸にとった場合の特性を示す。ここで高密度部材充填率は、シリコンの全体積のうち高密度部材に置き換える部分の体積割合を示す。この図が示す特性は、可動錘の体積を一定としつつ質量を大きくする際の設計指標とすることができる。Ptは白金の特性を、Wはタングステンの特性を、AuGeは金ゲルマニウムの特性を、Niはニッケルの特性をそれぞれ示す。図9から、基本部材をシリコンで形成し、高密度部材を白金、タングステン、金ゲルマニウム、またはニッケルで形成した場合には、高密度部材充填率が大きい程、体積一定の条件の下での質量を大きくすることができることがわかる。また、図10には設計参考資料として高密度部材充填率[%]を横軸にとり、質量一定条件下における、シリコン単体の体積に対する体積比[%]を縦軸にとった場合の特性を示す。この図が示す特性は、可動錘の質量を一定としつつ体積を小さくする際の設計指標とすることができる。図10から、基本部材をシリコンで形成し、高密度部材を白金、タングステン、金ゲルマニウム、またはニッケルで形成した場合には、高密度部材充填率が大きい程、質量一定の条件の下での体積を低減することができることがわかる。 FIG. 9 shows the characteristics when the high-density member filling rate [%] is plotted on the horizontal axis and the mass ratio [%] relative to the mass of silicon alone is plotted on the vertical axis as a design reference material. Here, the high-density member filling rate indicates a volume ratio of a portion replaced with a high-density member in the total volume of silicon. The characteristics shown in this figure can be used as a design index for increasing the mass while keeping the volume of the movable weight constant. Pt indicates the characteristics of platinum, W indicates the characteristics of tungsten, AuGe indicates the characteristics of gold germanium, and Ni indicates the characteristics of nickel. From FIG. 9, when the basic member is formed of silicon and the high-density member is formed of platinum, tungsten, gold germanium, or nickel, the mass under the condition of constant volume increases as the high-density member filling rate increases. It can be seen that can be increased. In addition, FIG. 10 shows the characteristics when the horizontal axis represents the high density member filling rate [%] as a design reference material and the vertical axis represents the volume ratio [%] to the volume of silicon alone under a constant mass condition. . The characteristics shown in this figure can be used as a design index for reducing the volume while keeping the mass of the movable weight constant. From FIG. 10, when the basic member is formed of silicon and the high-density member is formed of platinum, tungsten, gold germanium, or nickel, the volume under the condition of constant mass increases as the high-density member filling rate increases. It can be seen that can be reduced.
10,38,44,46,52,58,66,74,80 MEMS加速度センサ、12,40,48,54,60,68,76,82 センサ本体部、14 下側ガラス板、16 上側ガラス板、18 センサ筐体枠、20,42,50,56,62,70,84 可動錘、22 板ばね、24 下側容量電極、26 上側容量電極、28 下側端子電極、30 上側端子電極、32 スルーホール、34 高密度部材、36 高密度部材穴、72 基本部材、78 ピエゾ抵抗素子、86 円板状シリコン板、88 錘用ガラス。 10, 38, 44, 46, 52, 58, 66, 74, 80 MEMS acceleration sensor, 12, 40, 48, 54, 60, 68, 76, 82 Sensor body, 14 Lower glass plate, 16 Upper glass plate , 18 Sensor housing frame, 20, 42, 50, 56, 62, 70, 84 Movable weight, 22 leaf spring, 24 lower capacitive electrode, 26 upper capacitive electrode, 28 lower terminal electrode, 30 upper terminal electrode, 32 Through hole, 34 high density member, 36 high density member hole, 72 basic member, 78 piezoresistive element, 86 disk-shaped silicon plate, 88 weight glass.
Claims (3)
前記可動錘は、
欠損部を有する基本部材と、
前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、
を備え、
前記基本部材は、回転対称形状に形成され、
前記MEMS加速度センサは、
前記可動錘が前記基本部材の回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備え、
前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、
前記支持筐体は、
当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持し、
前記可動錘の重心は、前記可動錘を形成する材料の密度が一様であると仮定した場合における重心に一致していることを特徴とするMEMS加速度センサ。 In a MEMS acceleration sensor that includes a movable weight that can be displaced according to a given acceleration, and that outputs a detection amount according to the movement of the movable weight.
The movable weight is
A basic member having a defect,
A high-density member provided in the defect portion and having a higher density than the basic member;
Bei to give a,
The basic member is formed in a rotationally symmetric shape,
The MEMS acceleration sensor is
A support housing that supports the movable weight via a spring so that the movable weight is displaced in the rotationally symmetric axis direction of the basic member;
The spring includes a plurality of leaf springs provided so that the leaf surfaces overlap in parallel,
The support housing is
Supporting the movable weight via the plurality of leaf springs so that the movable weight can be displaced in a direction perpendicular to the plate surfaces of the plurality of leaf springs,
The MEMS acceleration sensor according to claim 1, wherein the center of gravity of the movable weight coincides with the center of gravity when the density of the material forming the movable weight is assumed to be uniform .
前記可動錘は、
欠損部を有する基本部材と、
前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、
を備え、
前記基本部材は、回転対称形状の板面を有する板状に形成され、
前記MEMS加速度センサは、
前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備え、
前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、
前記支持筐体は、
当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持し、
前記MEMS加速度センサは、
前記基本部材の板面とその板面が対向し、前記基本部材の板面との間に空間を隔てて配置される筐体板を備え、
前記欠損部は、
前記筐体板を臨む面に開口を有し、
前記高密度部材は、
前記筐体板を臨む面に非充填空間が形成されるよう前記欠損部に充填されることを特徴とするMEMS加速度センサ。 In a MEMS acceleration sensor that includes a movable weight that can be displaced according to a given acceleration, and that outputs a detection amount according to the movement of the movable weight.
The movable weight is
A basic member having a defect,
A high-density member provided in the defect portion and having a higher density than the basic member;
With
The basic member is formed in a plate shape having a rotationally symmetric plate surface,
The MEMS acceleration sensor is
A support housing that supports the movable weight via a spring so that the movable weight is displaced in a rotationally symmetric axis direction perpendicular to the plate surface of the basic member;
The spring includes a plurality of leaf springs provided so that the leaf surfaces overlap in parallel,
The support housing is
Supporting the movable weight via the plurality of leaf springs so that the movable weight can be displaced in a direction perpendicular to the plate surfaces of the plurality of leaf springs,
The MEMS acceleration sensor is
The plate surface of the basic member and the plate surface thereof are opposed to each other, and includes a casing plate disposed with a space between the plate surface of the basic member,
The missing part is
An opening on the surface facing the housing plate;
The high-density member is
The MEMS acceleration sensor, wherein the defect portion is filled so that an unfilled space is formed on a surface facing the casing plate .
前記基本部材は、
シリコンまたはガラスを含んで形成され、
前記高密度部材は、
金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、またはタンタルのうちいずれかを含んで形成されることを特徴とするMEMS加速度センサ。 The MEMS acceleration sensor according to claim 1 or 2 ,
The basic member is
Formed with silicon or glass,
The high-density member is
A MEMS acceleration sensor comprising any one of gold germanium, gold silicon, gold, platinum, iridium, nickel, copper, tungsten, or tantalum.
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