JP6260063B2 - 平行板コンデンサ及びこれを含む加速度センサ - Google Patents

Description

本発明の開示は、コンデンサの分野に関し、より具体的には、平行板コンデンサに関する。

「微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）」は、近年開発された学際的最先端のハイテク分野である。ＭＥＭＳは、半導体技術に対して開発された微小シリコン機械加工技術を応用し、主として材料としてシリコンを使用し、かつシリコンチップ上にミクロン寸法サイズの、懸架されて移動可能な３次元構造を製造することによって外部情報の感知及び制御を実施する。ＭＥＭＳ加速度センサは、そのような技術に基づくセンサである。

容量性ＭＥＭＳ加速度センサの基本構造は、質量と固定電極とで構成されたコンデンサであることは公知である。質量の変位が加速度によって生じる時に、コンデンサの電極間の重なり面積又は距離が変化し、この場合に、加速度の測定は、コンデンサのキャパシタンス変化を測定することによって実施することができる。ＭＥＭＳ加速度センサのうちの１つとして、平行板コンデンサによって形成された加速度センサは、その簡単な処理、寄生キャパシタンス及びエッジ効果の影響が少ないこと、及び処理回路の要件が低いという理由で幅広く使用されている。

しかし、近年では、そのような加速度センサにおける平行板コンデンサの比較的小さい変動範囲により、センサの感度は比較的低くなっている。

従って、本発明の開示は、平行板コンデンサを提供する。コンデンサは、第１の極板と第１の極板に対向して配置された第２の極板とを含む。平行板コンデンサは、第１の極板を形成する基板上に配置された少なくとも１対の高感度ユニットであって、高感度要素と高感度要素を第１の極板に接続する要素接続アームとを含む上記少なくとも１対の高感度ユニットと、第２の極板が位置付けられた基板上に配置され、片持ち梁を通じて要素接続アームに接続されたアンカーベースであって、各要素接続アームが、要素接続アームに対して対称である少なくとも２つのアンカーベースに接続された上記アンカーベースとを更に含む。

好ましくは、平行板コンデンサにおいて、各高感度要素は質量であり、各要素接続アーム及び各片持ち梁は、両方ともシリコンで作られ、各要素接続アームは、各片持ち梁よりも厚い。

本発明の開示は、第１の極板と第１の極板に対向して配置された第２の極板とを含む平行板コンデンサを更に提供する。平行板コンデンサは、第１の極板を形成する基板上に配置された少なくとも１つの高感度ユニットであって、第１の極板によって取り囲まれ、かつ高感度要素と高感度要素を第１の極板に接続する要素接続アームとを含む上記少なくとも１つの高感度ユニットと、第２の極板が位置付けられた基板上に配置され、片持ち梁を通じて要素接続アームに接続されたアンカーベースであって、各要素接続アームが、要素接続アームに対して対称である少なくとも２つのアンカーベースに接続された上記アンカーベースとを更に含む。

本発明の平行板コンデンサは、コンデンサを力に対してより感受性にすることができ、かつキャパシタンス変化を発生させるように、コンデンサの要素接続アーム、高感度要素、及び第１の極板によって形成されるレバレッジ効果によって高感度要素の歪みを増幅させることができる。

本発明の開示の実施形態による平行板コンデンサ１の概略上面図である。 図１の平行板コンデンサの線ａ−ａ’で取った概略断面図である。 本発明の開示の別の実施形態による平行板コンデンサ２の概略上面図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態をより完全に以下に説明する。しかし、本発明の様々な実施形態は、多くの異なる形態に具現化することができ、かつ本明細書に示す実施形態に限定するように解釈すべきではない。より正確には、これらの実施形態は、この開示が十分かつ完全であることになり、かつ本発明の範囲を当業者に完全に伝えることになるように提供される。同じか又は類似の参照文字を使用して識別される要素は、同じか又は類似の要素を参照する。

図１は、一実施形態による平行板コンデンサの概略上面図である。平行板コンデンサは、第１の極板１０及び第２の極板（図示せず）、第１の対の高感度要素２１ａ、２１ｂ及び第２の対の高感度要素２２ａ、２２ｂ、第１の対の高感度要素２１ａ、２１ｂを第１の極板１０に接続するように構成された要素接続アーム２３ａ、２３ｂ、第２の対の高感度要素２２ａ、２２ｂを第１の極板１０に接続するように構成された要素接続アーム２４ａ、２４ｂ、第２の極板上に配置されたアンカーベース３０、３１、３２及び３３、アンカーベース３０を要素接続アーム２３ａに接続する片持ち梁３０ａ、アンカーベース３１を要素接続アーム２３ａに接続する片持ち梁３０ｂ、アンカーベース３２を要素接続アーム２４ｂに接続する片持ち梁３１ａ、アンカーベース３２を要素接続アーム２４ｂに接続する片持ち梁３１ｂ、アンカーベース３２を要素接続アーム２３ｂに接続する片持ち梁３２ａ、アンカーベース３３を要素接続アーム２３ｂに接続する片持ち梁３２ｂ、アンカーベース３３を要素接続アーム２４ａに接続する片持ち梁３３ａ、及びアンカーベース３０を要素接続アーム２４ａに接続する片持ち梁３３ｂを含む。好ましくは、各片持ち梁は、それに接続された要素接続アームに垂直である。

高感度要素及び要素接続アームは、高感度ユニットを構成し、これらの全ては、第１の極板が位置付けられた基板上に配置される。高感度要素は、例えば、質量とすることができる。図示の実施形態において、要素接続アーム及び片持ち梁は、シリコンで全て作られ、例えば、要素接続アーム及び片持ち梁は、基板をエッチングすることによって得られる。質量は、比較的大きい重量であることは理解されるであろう。各片持ち梁はまた、第１の極板が位置付けられた基板上にシリコンで形成され、各片持ち梁は、要素接続アームよりも薄い。第２の極板上に配置されたアンカーベースは、第２の極板から第１の極板まで延び、かつ対応する要素接続アームに固定的に接続される。

本発明の開示により、各高感度ユニット内の各対の高感度要素の２つの高感度要素は、導電部分の一方の側と対向する側とに対称に配置される。図１に示す実施形態において、２対の高感度要素が配置される。第１の対の高感度要素２１ａ、２１ｂは、それぞれ第１の極板１０の両側に配置され、普通に読んでいる時の図に向く視点では、高感度要素２１ａは、第１の極板１０の左側に配置され、高感度要素２１ｂは、対応して第１の極板１０の右側に配置され、要素接続アーム２３ａ及び要素接続アーム２３ｂは、同じ長さを有する。第２の対の高感度要素２２ａ、２２ｂは、それぞれ第１の極板１０のもう一つの両側に配置され、普通に読んでいる時の図に向く視点では、高感度要素２２ａは、第１の極板１０の上側に配置され、高感度要素２２ｂは、対応して第１の極板１０の下側に配置され、要素接続アーム２４ａ及び要素接続アーム２４ｂは、同じ長さを有する。

更に、上述の実施形態において、各高感度要素は、同一の質量である。各質量は、対応する要素接続アームを通じて第１の極板１０に接続され、それによって、てこを形成する。換言すれば、要素接続アーム２３ａは、てことして作用し、高感度要素２１ａは、その一端に位置付けられ、第１の極板１０は、他端に位置付けられ、同じ状況は、他の高感度要素及び要素接続アームに適用され、ここでは以下に説明しない。

図２は、図１の平行板コンデンサの線ａ−ａ’で取った概略断面図である。図２に示すように、アンカーベース３０及び３３（アンカーベース３１及び３２は、図２が線ａ−ａ’で取った断面であるので示されていない）は、第１の極板１０と第２の極板２０の間に配置され、てこ（すなわち、要素接続アーム）２３ａ及び２３ｂを支持する。質量２１ａは、てこ２３ａを通じて第１の極板１０に接続され、質量２１ｂは、てこ２３ｂを通じて第２の極板１０に接続される。

平行板コンデンサ１が加速度センサの感知構成要素として使用される時に、加速度センサが垂直方向の加速度を受ける場合の各高感度要素（各質量のような）は、加速度を感知し、慣性効果の下で対応する要素接続アーム（すなわち、てこ）に対して加速度の反対方向に力を印加することになる。本発明の開示によると、片持ち梁の厚みは、要素接続アームの厚みよりも小さいため、片持ち梁が要素接続アームから伝達された力によって作用された後に、片持ち梁の変形は比較的大きく、これは、第１の極板１０のより大きい変位を強制し、すなわち、加速度と同じ方向に第１の極板のより大きい変位を引き起こし、これと対応して第１の極板と第２の極板の間のキャパシタンス変化は比較的大きい。高感度要素、要素接続アーム、及び第１の極板によって形成された、てこ構造に起因して、より大きい変位が、同じ加速度の下で２つの極板によって得られ、従って、より大きいキャパシタンス変化を引き起こし、平行板コンデンサを収容する加速度センサは、より感度が高い。

上述の実施形態は、平行板コンデンサが２対の高感度ユニットを含むことを示すが、本発明の開示は、これに限定されない。実際の応用では、要件によってより多くの高感度ユニット又は１つのみの高感度ユニットを構成することができる。

図３は、本発明の開示の別の実施形態による平行板コンデンサの概略上面図である。図１に示す平行板コンデンサとは異なり、図示の実施形態において、高感度要素及び要素接続アームによって形成されたてこと、アンカーベースと要素接続アームの間に接続された片持ち梁とは、第１の極板の内側に形成され、すなわち、図示の実施形態において、高感度ユニットは、第１の極板によって取り囲まれ、高感度要素は、１つのみの高感度ユニットを含む。

図３に示すように、コンデンサは、第１の極板４０及び第２の極板（図示せず）、高感度要素５０、高感度要素５０を第１の極板４０に接続するように構成された要素接続アーム５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄ、第２の極板上に配置されたアンカーベース６０、６１、６２、及び６３、アンカーベース６０を要素接続アーム５０ａに接続する片持ち梁６０ａ、アンカーベース６１を要素接続アーム５０ａに接続する片持ち梁６０ｂ、アンカーベース６１を要素接続アーム５０ｂに接続する片持ち梁６１ａ、アンカーベース６２を要素接続アーム５０ｂに接続する片持ち梁６１ｂ、アンカーベース６２を要素接続アーム５０ｃに接続する片持ち梁６２ａ、アンカーベース６３を要素接続アーム５０ｃに接続する片持ち梁６２ｂ、アンカーベース６３を要素接続アーム５０ｄに接続する片持ち梁６３ａ、アンカーベース６０を要素接続アーム５０ｄに接続する片持ち梁６３ｂを含む。好ましくは、各要素接続アームは、それに接続された片持ち梁に垂直である。

高感度要素及び要素接続アームは、高感度ユニットを構成し、これらの全ては、第１の極板が位置付けられたシリコン基板上に配置される。高感度要素は、例えば、質量とすることができる。高感度要素及び要素接続アームは、図示の実施形態においてシリコン材料で全て作られ、要素接続アーム及び片持ち梁は、基板上にエッチングすることによって得られる。質量は、比較的大きい重量を有することは理解されるであろう。各片持ち梁はまた、第１の極板が位置付けられた基板上にシリコンで形成され、各片持ち梁は、要素接続アームよりも薄い。第２の極板上に配置されたアンカーベースは、第２の極板から第１の極板まで延び、対応する要素接続アームに固定的に接続される。

図３に示す実施形態において、好ましくは、高感度要素に対して対称である要素接続アームは同じ長さを有し、より好ましくは、各要素接続アームが同じ長さを有する。図示の実施形態において、高感度要素は、同一の質量であり、これは、要素接続アームを通じて第１の極板４０に接続され、それによって要素接続アームに基づく、てこを形成する。換言すれば、要素接続アーム５０ａは、てことして作用し、高感度要素５０は、その一端上に位置付けられ、第１の極板４０は、他端上に位置付けられ、同じ状況は、他の高感度要素及び要素接続アームに適用され、ここでは以下に説明しない。

平行板コンデンサ２が加速度センサの感知構成要素として使用される時に、加速度センサが垂直方向の加速度を受ける場合の各高感度要素（各質量のような）は、加速度を感知し、慣性効果の下で対応する要素接続アーム（すなわち、てこ）に対して加速度の反対方向に力を印加することになる。この場合に、より薄い片持ち梁が要素接続アームから伝達された力によって作用された後に、片持ち梁の変形は比較的大きく、これは、第１の極板１０のより大きい変位を強制し、すなわち、加速度と同じ方向に第１の極板のより大きい変位を引き起こし、これと対応して第１の極板と第２の極板間のキャパシタンス変化は比較的大きい。高感度要素、要素接続アーム、及び第１の極板によって形成されるてこ構造に起因して、より大きい変位が、同じ加速度の下で２つの極板によって得られ、従って、より大きいキャパシタンス変化を引き起こし、平行板コンデンサを収容する加速度センサは、より感度が高い。

本発明の開示の上述の実施形態は、基板としてシリコン材料を使用することによって示されているが、実際の応用では、ゲルマニウムシリサイドのような他の材料の基板も適用することができる。

これに加えて、てこの機能をより良く達成するために、要素接続アームが片持ち梁に接続する各点は、質量に対してより近い。

１０ 第１の極板
２１ａ、２１ｂ 第１の対の高感度要素
２２ａ、２２ｂ 第２の対の高感度要素
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 要素接続アーム
３０、３１、３２、３３ アンカーベース
３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ 片持ち梁

Claims (5)

1. 第１の極板と、該第１の極板に対向して配置された第２の極板とを含む平行板コンデンサであって、
   前記第１の極板を形成する基板上に配置された少なくとも１対の高感度ユニットであって、各高感度ユニットは、高感度要素と該高感度要素を前記第１の極板に接続する要素接続アームとを含み、各高感度要素は質量であり、加速度による慣性力に反応する、少なくとも１対の高感度ユニットと、
   前記第２の極板が位置付けられた基板上に配置され、片持ち梁を通じて前記要素接続アームに接続されたアンカーベースと、
   を含み、
   各要素接続アームが、該要素接続アームに対して対称である少なくとも２つのアンカーベースに接続される、
   ことを特徴とする平行板コンデンサ。
2. 前記要素接続アーム及び前記片持ち梁は、両方ともシリコンで作られ、該要素接続アームは、該片持ち梁よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の平行板コンデンサ。
3. 第１の極板と、該第１の極板に対向して配置された第２の極板とを含む平行板コンデンサであって、
   前記第１の極板を形成する基板上に配置された少なくとも１つの高感度ユニットであって、該高感度ユニットは、前記第１の極板によって取り囲まれ、かつ高感度要素と該高感度要素を前記第１の極板に接続する要素接続アームとを含み、前記高感度要素は質量であり、加速度による慣性力に反応する、少なくとも１つの高感度ユニットと、
   前記第２の極板が位置付けられた基板上に配置され、片持ち梁を通じて前記要素接続アームに接続されたアンカーベースと、
   を含み、
   各要素接続アームが、該要素接続アームに対して対称である少なくとも２つのアンカーベースに接続される、
   ことを特徴とする平行板コンデンサ。
4. 前記要素接続アーム及び前記片持ち梁は、両方ともシリコンで作られ、該要素接続アームは、該片持ち梁よりも厚いことを特徴とする請求項３に記載の平行板コンデンサ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の平行板コンデンサを含むことを特徴とする加速度センサ。

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