JP5697874B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された、少なくとも１つの主平面（主延在平面）を有する基板と震動質量体とが設けられており、震動質量体は、主平面に対して平行なトーション軸を中心として運動可能であり、かつ、トーション軸に関して非対称な質量分布を有する、センサ装置に関する。

こうしたセンサ装置は一般に知られている。例えば、欧州公開第０２４４５８１号明細書からは、シリコンプレート上に、それぞれ非対称に構成された回転質量体を有する２つの同形の振り子がエッチング技術によって形成されており、各振り子の回転質量体がそれぞれトーションロッドに固定されているセンサが公知である。

また、欧州公開第０７７３４４３号明細書からは、マイクロメカニカル加速度センサが公知である。ここでは、第１の半導体ウェハ上に可変容量を形成する少なくとも１つの第１の電極が設けられており、第２の半導体ウェハ上に非対称に吊り下げられた振動子の形態の可動の第２の電極が設けられている。振動子が非対称に吊り下げられているため、第１の半導体ウェハのウェハ面に対して垂直方向に第１の電極の回転軸線を中心とした回転モーメントが発生し、この回転モーメントに基づく振動子の偏向によって第１の電極と第２の電極とのあいだの電気容量が変化し、この変化分が加速度の尺度として検出される。

しかし、こうした加速度センサでは、第１の電極の非対称の質量分布のために、基板の表面に対向する第１の電極の下面は回転軸線に関して対称のジオメトリが得られず、第１の電極と基板とのあいだに電位差が発生すると、シリコンの表面にトラップされた表面電荷によって第１の電極へ作用する力が発生してしまう。これは、第１の電極の非対称のジオメトリのために表面電荷の分布も回転軸線に関して非対称となってしまうからである。特に、温度に応じてまたはセンサの耐用期間に応じて表面電荷が変化すると、力の作用によって振動子が歪み、望ましくないオフセット信号が生じて、センサの測定精度が低下するおそれがある。

さらに、こうした加速度センサには、外部負荷、例えば外部のケーシングからの機械的応力や熱負荷によって基板の撓みが生じた場合に、第１の電極から第２の電極までの距離が変化して、前述したケースと同様に望ましくないオフセットが生じ、センサの測定精度が低下することもある。

欧州公開第０２４４５８１号明細書 欧州公開第０７７３４４３号明細書

本発明の基礎とする課題は、センサ装置で望ましくないオフセット信号の発生するおそれを低減し、簡単かつ低コストに測定精度を向上させることである。

この課題は、震動質量体のうち基板に近い側の面がトーション軸に関して対称に構成されていることにより解決される。また、前述した課題は、結合領域がトーション軸に対して垂直かつ主平面に対して平行な方向で見て吊り下げ領域に配置されているか、および／または、吊り下げ領域に直接に接して配置されていることにより解決される。

本発明のセンサ装置の第１の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第２の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第３の実施例の上面図である。 本発明のセンサ装置の第４の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第５の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第６の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第７の実施例の上面図である。 本発明のセンサ装置の第８の実施例の斜視図である。 本発明のセンサ装置の第９の実施例の斜視図である。

本発明のセンサ装置は、従来技術のセンサ装置に比べて、一方では簡単かつ低コストに測定精度が向上し、他方では望ましくないオフセット信号の発生するおそれが低減されるという利点を有する。特に、表面電荷または機械的応力に対するセンサ装置の敏感度が低減される。

表面電荷に対するセンサ装置の敏感度の低減は、震動質量体のうち基板に近い側の面がトーション軸に関して対称に構成され、震動質量体と基板とのあいだの電位差による力の作用がトーション軸の両側で相互に補償されることにより達成される。有利には、震動質量体にかかる力がほぼゼロとなり、温度や耐用期間に応じて表面電荷が変化しても、震動質量体の望ましくない偏向が生じない。

また、機械的応力に対するセンサ装置の敏感度の低減は、結合領域がトーション軸に対して垂直かつ主平面に対して平行に吊り下げ領域内に配置されるかまたは吊り下げ領域に直接に隣接して配置されることによって達成される。こうして、第１の電極も震動質量体も基板の比較的小さい共通の領域に固定されるので、基板の撓みが生じた場合にも第１の電極と震動質量体とのあいだのジオメトリは殆ど変化しなくなる。つまり結合領域および吊り下げ領域はつねに同じだけ撓み、第１の電極から震動質量体までの相対距離はほぼ不変となる。機械的応力に対するセンサ装置の敏感度が低減されることにより、特に有利には、センサ装置を比較的低コストにモールドパッケージにパッケージングすることができる。

有利には、いずれの場合にも、震動質量体の下面を対称に構成して表面電荷に対する敏感度を低減し、また、結合領域を吊り下げ領域内に配置して機械的応力に対する敏感度を低減する。なぜなら、基板が震動質量体に対して撓むと、主平面に対して垂直方向で見て基板から震動質量体までの距離が変化してしまい、そこで生じる表面電荷が震動質量体と基板とのあいだに発生する静電作用を増幅してしまうからである。したがって、応力に対する敏感度も表面電荷に対する敏感度も同様に低減されなければならない。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項のほか、実施例および図面に記載されている。

有利な実施形態では、震動質量体は、基板から遠い側の面に、非対称な質量分布を形成するための少なくとも１つの質量部材を有している。このため、震動質量体では、基板から遠い側の面でトーション軸に関して非対称な質量分布が得られるものの、基板に近い側の面にはトーション軸に関して対称なジオメトリが得られ、有利である。質量部材は震動質量体の基板から遠い側の面に特にエピタキシプロセスによって堆積される。

有利な実施形態では、さらに、震動質量体の基板から遠い側の面に補償部材が配置され、トーション軸は主平面に対して平行に見て質量部材と補償部材とのあいだに配置されている。特に有利には、震動質量体によって生じる静電作用を補償する補償部材が設けられる。特に、質量部材の一方側に作用する寄生容量が補償部材によって補償される。補償部材は質量部材よりも軽量に構成されているので、補償部材によるトーション軸の他方側の重量の補償は生じない。補償部材によって補償すべき静電作用は、質量部材と固定の第１の電極とのあいだの静電作用、すなわち、主平面に対して垂直に見て震動質量体の上方または下方、主平面に対して平行に見て質量部材の側方にかかる静電作用であるが、トーション軸の他方側においても、補償部材と有利には第１の電極と同様に構成された固定の第２の電極とのあいだに同じ大きさの静電作用が発生する。こうして静電作用の和が補償されてほぼゼロとなる。

別の有利な実施形態では、震動質量体は第１の作用面および第２の作用面を有しており、第１の作用面は固定の第１の電極に対応し、第２の作用面は固定の第２の電極に対応し、第１の作用面の面積は第２の作用面の面積に等しく、有利には、第１の作用面の幾何学的形状は第２の作用面の幾何学的形状に等しい。特に有利には、第１の電極と第１の作用面とのあいだの静電作用が第２の電極と第２の作用面とのあいだの静電作用によって補償される。こうして、トーション軸の両側で発生し震動質量体の基板に近い側の面と基板から遠い側の面とに作用する静電作用が相互に補償される。したがって震動質量体の表面電荷によって生じる力の有効和は有利にはほぼゼロとなる。なお、本発明における作用面とは、第１の電極または第２の電極に対して直接に静電作用の生じる震動質量体の面のことである。

別の有利な実施形態では、第１の作用面および第２の作用面はトーション軸に関して対称に構成されており、有利には、第１の作用面は震動質量体の基板から遠い第１の領域と質量部材の領域とを含み、第２の作用面は震動質量体の基板から遠い第２の領域と補償部材の領域とを含む。有利には、第１の作用面および第２の作用面は、震動質量体、質量部材および／または補償部材の領域であって、特に有利には、主平面に対して平行な方向および主平面に対して垂直な方向に配向されている。さらに有利には、トーション軸の一方側での第１の電極と質量部材とのあいだの静電作用がトーション軸の他方側での第２の電極と補償部材とのあいだの静電作用によって補償され、その際にもトーション軸に関する重量の変化は生じない。

別の有利な実施形態では、トーション軸に対して垂直かつ主平面に対して平行な方向で見たときの吊り下げ領域から結合領域までの距離は、トーション軸に対して垂直かつ主平面に対して平行な方向で見たときの震動質量体の延長部の最大長さの５０％より小さく、有利には２０％より小さく、さらに有利には５％より小さい。特に有利には、吊り下げ領域および結合領域が基板上の比較的小さい面積内に配置され、基板の撓みによって震動質量体から第１の電極までの距離が変化してしまうおそれが小さくなることが保証される。特に有利には、結合領域および吊り下げ領域はトーション軸の近傍に配置され、第２の電極をセンサ装置に取り付けるときに完全に対称に配置することが容易になる。

別の有利な実施形態では、トーション軸に対して垂直かつ主平面に対して平行な方向で見たとき結合領域が第１の電極のうちトーション軸に近い領域に配置されているか、および／または、主平面に対して平行な方向で見たとき結合領域の面積が第１の電極の面積より小さい。このようにすれば、比較的簡単に、結合領域を介して第１の電極をトーション軸の近傍に固定することができる。第１の電極の片持梁式の支持領域はトーション軸に対して垂直または平行な方向で見て震動質量体の部分領域から突出しており、これにより、主平面に対して垂直な方向で見たとき、トーション軸によって分離されている震動質量体の２つの面の一方と第１の電極の片持梁式の支持領域とが重なる。また、特に有利には、結合領域の面積が小さいため、基板の撓みによって結合領域にかかる機械的応力が最小化される。

別の有利な実施形態では、主平面に対して垂直な方向で見て第１の電極が震動質量体と基板とのあいだに配置されているか、または、震動質量体が第１の電極と基板とのあいだに配置されている。特に有利には、第１の電極によって、震動質量体の下方または上方での基板に対する震動質量体の偏向度を測定することができる。震動質量体の上方に配置される第１の電極は、特に、製造プロセスにおいて震動質量体の上方に堆積される付加的なエピタキシ層によって実現される。

別の有利な実施形態では、主平面に対して垂直な方向で見て、震動質量体の上方および下方に第１の電極が１つずつ配置されている。このようにすると、震動質量体の偏向度が、震動質量体の上方においても震動質量体の下方においても、同じ構造の電極によって測定可能となるので有利である。有利には、トーション軸の一方側のみの偏向運動の全微分評価が可能となる。

別の有利な実施形態では、センサ装置は第１の電極と同じ構造の第２の電極を有しており、この第２の電極は有利にはトーション軸に関して第１の電極に鏡面対称に配置される。これにより、有利には、トーション軸の一方側のみの偏向運動の全微分評価が可能となる。

別の有利な実施形態では、結合領域はトーション軸に沿って見たとき震動質量体に関してほぼ中央に配置されている。特に有利には、基板の撓みによって、主平面に対して平行かつトーション軸に対して垂直に見たときにセンサ装置のジオメトリにかかる影響が低減される。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図中、同一の要素には同一の参照番号を付してある。また、いちど説明した要素の説明は省略する。

図１には、本発明の第１の実施例のセンサ装置１の斜視図が示されている。センサ装置１は基板２を有しているが、ここでは、基板２の主平面１００にかかる機械的応力をわかりやすく示すために過度に撓められた状態で示してある。また、センサ装置１は吊り下げ領域５によって基板２に固定された震動質量体３を有しており、この震動質量体３はトーション軸６を中心として基板２に対して相対的に回転可能である。ここで、吊り下げ領域５は特に撓みばねおよび／またはねじりばねを含む。

震動質量体３は、トーション軸６の一方側に、トーション軸６に関して非対称な質量分布を形成するための質量部材１０を有している。これにより、センサ装置１で主平面１００に対して垂直方向に加速度がかかったとき、震動質量体３に回転モーメントが作用する。このとき震動質量体３に偏向が生じ、その度合が震動質量体３の上方に配置された第１の電極４および第２の電極４’によって容量的に評価される。つまり、震動質量体３は、主平面１００に対して垂直な方向で見て、基板２と電極４，４’とのあいだに配置されている。

第１の電極４は結合領域７によって基板２に固定された片持梁式の電極として構成されている。基板２の撓みが震動質量体３と第１の電極４とのあいだのジオメトリに与える影響、すなわち、基板２の撓みが主平面１００に対して垂直方向で見たときの震動質量体３から第１の電極４までの距離に与える影響ができるだけ小さくなるように、結合領域７は吊り下げ領域５の近傍に配置される。結合領域７はここでは第１の電極４のうちトーション軸６に近い領域に配置されているので、トーション軸６に対して垂直かつ主平面１００に対して水平の方向で見たときのトーション軸６から結合領域７までの距離は最小となる。主平面１００に対して平行な方向で見て、結合領域７の面積は第１の電極４の面積の数分の１である。第２の電極４’は第１の電極４とほぼ同様に構成されており、トーション軸６に関して第１の電極４に鏡面対称に配置されている。このため、第２の電極４’は、第２の結合領域７’を介して、基板２の吊り下げ領域５の近傍に固定されている。

本発明のセンサ装置１は、特に、ｚ方向すなわち主平面１００に対して垂直な方向に感応性を有する加速度センサであり、有利にはモールドケーシング内にパッケージングされている。図示されていない別の実施例によれば、第１の電極４および第２の電極４’が震動質量体３と基板２とのあいだに配置されるか、または、第１の実施例の第１の電極４および第２の電極４’に加えて設けられる第１の付加電極４４および第２の付加電極４４’が震動質量体３と基板２とのあいだに配置される。さらに別の実施例として、第１の電極４および第２の電極４’がそれぞれ複数の第１の結合領域７および複数の第２の結合領域７’を有していてもよい。特に有利には、第１の電極４および第２の電極４はそれぞれ、トーション軸６に対して平行な方向で見て震動質量体３の両側に第１の結合領域７および第２の結合領域７’を有する。このとき、震動質量体３は特に有利には２つの吊り下げ領域５によって基板２に固定され、各吊り下げ領域５はトーション軸６に沿って震動質量体３の両側に配置される。

図２には、第２の実施例のセンサ装置１の斜視図が示されている。第２の実施例は図１の第１の実施例とほぼ同様であるが、震動質量体３がトーション軸６に関して非対称の質量分布を形成するための質量部材１０を有さず、その代わりに、トーション軸６の一方側に延長部３’を有する点が異なっている。震動質量体３の延長部３’はトーション軸６に関して震動質量体３の非対称の質量分布を形成する。第２の実施例のセンサ装置１は第１の実施例のセンサ装置とは異なり、震動質量体３がトーション軸６に対して平行に作用する加速度に対して不感であるという利点を有する。これは、トーション軸６に対して垂直な別の回転軸線を中心とした回転モーメントが発生しないためである。

図３には、第３の実施例のセンサ装置の上面図が示されている。第３の実施例は図２の第２の実施例とほぼ同様であるが、震動質量体３がトーション軸６の近傍に中央開口３"を有し、この中央開口３"内で、吊り下げ領域５，第１の結合領域７および第２の結合領域７’がトーション軸６に対して平行な方向で見て震動質量体３の中央に配置される点が異なっている。

図４には、第４の実施例のセンサ装置１の斜視図が示されている。第４の実施例も図２の第２の実施例とほぼ同様であるが、第１の電極４および第２の電極４’が震動質量体３と基板２とのあいだに配置されている点が異なっている。

図５のａ，ｂには、第５の実施例のセンサ装置１を異なる方向から見た２つの斜視図が示されている。第５の実施例は図３の第３の実施例とほぼ同様であるが、第１の電極４および第２の電極４’が震動質量体３と基板２とのあいだに配置されている点が異なっている。

図６には、第６の実施例のセンサ装置１の斜視図が示されている。第６の実施例は図１に示されている第１の実施例とほぼ同様であるが、震動質量体３のうち基板２に近い側の面がトーション軸６に関して対称に構成されている点、つまり、震動質量体３の下面がトーション軸に関して面積においても形状においても等しく構成されている点が異なっている。特にトーション軸６の両側の寄生容量の大きさが等しくなる。また、製造プロセス中に震動質量体３の下面にかかり、震動質量体３と基板２とのあいだに静電作用を生じさせる表面電荷も同様にトーション軸に関して対称となり、震動質量体３に対する有効回転モーメントが発生しなくなる。有利には、図１の第１の実施例の震動質量体３の下面もトーション軸６に関して対称に構成される。ただし、図６の第６の実施例の震動質量体３は、図１の第１の実施例とは異なり、震動質量体３の質量部材１０の側の反対側に補償部材１１を有する。震動質量体３の質量部材１０の側には第１の作用面が存在しており、この第１の作用面は、主平面１００に対して平行な少なくとも１つの第１の部分領域と、主平面１００に対して垂直かつトーション軸６に対して平行な第１の電極４の属する第２の部分領域とを有する。震動質量体３の静止位置においてトーション軸６に関して非対称の質量分布を達成するため、また、対称な静電力分布を形成するために、震動質量体３に補償部材１１が設けられるのである。補償部材１１は、主平面１００に対して平行な少なくとも１つの第３の部分領域と、主平面１００に対して垂直かつトーション軸６に対して平行な第４の部分領域とを有し、これら２つの部分領域が第１の作用面とほぼ同じ形状およびほぼ同じ面積を有する第２の作用面を形成するように構成される。第１の作用面および第２の作用面はトーション軸６に関して対称である。

図７には、第７の実施例のセンサ装置１の上面図が示されている。第７の実施例は図６の第６の実施例とほぼ同様であるが、図３の実施例のごとく震動質量体３が中央開口３"を有し、この中央開口内で、吊り下げ領域６，第１の結合領域７および第２の結合領域７’がトーション軸に対して平行な方向で見て震動質量体３の中央に配置される点が異なっている。

図８には、第８の実施例のセンサ装置１の斜視図が示されている。第８の実施例は図６の第６の実施例とほぼ同様であるが、震動質量体３と基板２とのあいだに、基板２に対する震動質量体３の偏向の度合を評価するための第１の付加電極４４および第２の付加電極４４’が配置される点が異なっている。ここではトーション軸６は第１の付加電極４４と第２の付加電極４４’とのあいだに延在している。

図９には、第９の実施例のセンサ装置１が示されている。第９の実施例は図８の第８の実施例とほぼ同様であるが、第１の付加電極４４がトーション軸６の一方側で震動質量体３のほぼ全面に重畳しており、第２の付加電極４４’がトーション軸６の他方側で震動質量体３のほぼ全面に重畳している点が異なっている。

１ センサ装置、 ２ 基板、 ３，３’，３" 震動質量体、 ４，４’ 電極、 ５ 吊り下げ領域、 ６ トーション軸、 ７，７’ 結合領域、 ９ 延長部の長さ、 １０ 質量部材、 １１ 補償部材、 ４４，４４’ 付加的電極、 １００ 主平面

Claims (16)

1. 主平面（１００）を有する基板（２）と震動質量体（３）と少なくとも部分的に片持梁式での支持を行う少なくとも１つの第１の電極（４）とが設けられており、
   前記震動質量体（３）は、吊り下げ領域（５）において、前記主平面（１００）に対して平行に見てトーション軸（６）を中心として運動可能に前記基板（２）に固定されており、かつ、前記トーション軸（６）に関して非対称な質量分布を有しており、
   前記第１の電極（４）は結合領域（７）において前記基板（２）に接続されている、
   センサ装置（１）において、
   前記震動質量体（３）のうち前記基板（２）に近い側の面は前記トーション軸（６）に関して対称に構成されており、
   前記結合領域（７）は前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見て前記吊り下げ領域（５）の近傍に配置されているか、または、前記吊り下げ領域（５）に直接に接して配置されている
   ことを特徴とするセンサ装置（１）。
2. 前記震動質量体（３）は、前記基板（２）から遠い側の面に、非対称な質量分布を形成するための少なくとも１つの質量部材（１０）を有している、請求項１記載のセンサ装置（１）。
3. 前記震動質量体（３）の前記基板（２）から遠い側の面にさらに補償部材（１１）が配置されており、前記トーション軸（６）は前記主平面（１００）に対して平行に見て、前記質量部材（１０）と前記補償部材（１１）とのあいだに配置されている、請求項１または２記載のセンサ装置（１）。
4. 前記震動質量体（３）は第１の作用面および第２の作用面を有しており、前記第１の作用面は固定の前記第１の電極（４）に対応し、前記第２の作用面は固定の第２の電極（４’）に対応し、前記第１の作用面の面積は前記第２の作用面の面積に等しい、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
5. 前記第１の作用面の幾何学的形状は前記第２の作用面の幾何学的形状に等しい、請求項４記載のセンサ装置（１）。
6. 前記第１の作用面および前記第２の作用面は前記トーション軸（６）に関して対称に構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
7. 前記第１の作用面は前記震動質量体（３）の前記基板（２）から遠い側の第１の領域と前記質量部材（１０）の領域とを有しており、前記第２の作用面は前記震動質量体（３）の前記基板（２）から遠い側の第２の領域と前記補償部材（１１）の領域とを有している、請求項６記載のセンサ装置（１）。
8. 前記結合領域（７）は前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見て前記吊り下げ領域（５）の近傍で、前記吊り下げ領域（５）に直接に接して配置されている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
9. 前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記吊り下げ領域（５）から前記結合領域（７）までの距離（８）は、前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記震動質量体（３）の延長部の最大長さ（９）の５０％より小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
10. 前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記吊り下げ領域（５）から前記結合領域（７）までの距離（８）は、前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記震動質量体（３）の延長部の最大長さ（９）の２０％より小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
11. 前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記吊り下げ領域（５）から前記結合領域（７）までの距離（８）は、前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見たときの前記震動質量体（３）の延長部の最大長さ（９）の５％より小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
12. 前記トーション軸（６）に対して垂直かつ前記主平面（１００）に対して平行な方向で見て前記結合領域（７）が前記第１の電極（４）のうち前記トーション軸（６）に近い領域に配置されているか、または、前記主平面（１００）に対して平行な方向で見て前記結合領域（７）の面積が前記第１の電極（４）の面積より小さい、請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
13. 前記主平面（１００）に対して垂直な方向で見て前記第１の電極（４）が前記震動質量体（３）と前記基板（２）とのあいだに配置されているか、または、前記主平面（１００）に対して垂直な方向で見て前記震動質量体（３）が前記第１の電極（４）と前記基板（２）とのあいだに配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
14. 前記主平面（１００）に対して垂直な方向で見て、前記震動質量体（３）の上方および下方に前記第１の電極（４）が１つずつ配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
15. 前記センサ装置（１）は前記第１の電極（４）と同じ構造の第２の電極（４’）を有しており、該第２の電極（４’）は前記トーション軸（６）に関して前記第１の電極（４）に鏡面対称に配置されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。
16. 前記結合領域（７）は前記トーション軸（６）に沿って見たとき前記震動質量体（３）に関してほぼ中央に配置されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載のセンサ装置（１）。

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