(57)【要約】  本発明は、マイクロメカニカル技術による容量性加速度センサに関する。これは、基板（５）と変位可能に接続された、少なくとも１つの弾性波質量体（１）と、基板（５）と固定的に接続された少なくとも１つの電極（１１）と、弾性波質量体（１）と接続された少なくとも１つの電極（６）とを有している形式のものにおいて、基板（５）と固定的に接続された少なくとも１つの電極（１１）と弾性波質量体（１）と接続された少なくとも１つの電極（６）は櫛の歯状電極（６、１１）として構成されており、櫛の歯状電極は、弾性波質量体（１）の変位方向に対して平行に延在している薄片（８、１３）を備えており、２つの櫛の歯状電極（６、１１）の薄片（８、１３）は静止状態において部分的にオーバーラップしている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル技術による容量性加速度センサであって、
基板（５）と変位可能に接続された、少なくとも１つの弾性波質量体（１）と、
前記基板（５）と固定的に接続された少なくとも１つの電極（１１）と、
前記弾性波質量体（１）と接続された少なくとも１つの電極（６）とを有している形式のものにおいて、
前記基板（５）と固定的に接続された少なくとも１つの電極（１１）と前記弾性波質量体（１）と接続された少なくとも１つの電極（６）は櫛の歯状電極（６、１１）として構成されており、当該櫛の歯状電極は、前記弾性波質量体（１）の変位方向に対して平行に延在している薄片（８、１３）を備えており、
前記２つの櫛の歯状電極（６、１１）の薄片（８、１３）は静止状態において部分的にオーバーラップしている、
ことを特徴とする、マイクロメカニカル技術による容量性加速度センサ。
【請求項２】
前記基板（５）と固定的に接続されている複数の櫛の歯状電極（１１、１１’）および前記弾性波質量体（１）と接続されている複数の櫛の歯状電極（６、６’）がそれぞれ含まれており、当該櫛の歯状電極は、櫛の歯状電極対（６、１１；６’、１１’）を構成し、当該櫛の歯状電極対のオーバーラップ長は、前記弾性波質量体（１）の変位に依存している、請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記弾性波質量体（１）は、前記電極装置を取り囲むフレームとして構成されている、請求項１または２記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記弾性波質量体（１）は、Ｓ字状の湾曲ばね（２、２’）を介して前記基板（５）と接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記基板（５）の中央領域内に固定されている接続バー（３）を含んでおり、当該接続バーは、前記弾性波質量体（１）を変位可能に担うばね（２、２’）に通じている、請求項１から４までのいずれか１項記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記接続バー（３）の両面で、担体バー（９、９’）が、前記基板と固定して接続されている櫛の歯状電極（１１、１１’）を収容するために延在しており、
前記担体バー（９、９’）は同じように、前記基板（５）の中央領域において基板（５）に固定されている、請求項５記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記接続バー（３）および前記担体バー（９、９’）が前記基板（５）に固定されている前記領域（４、１０、１０’）は、前記弾性波質量体（１）の変位方向に対して交差して延在している線上にある、請求項５または６記載の加速度センサ。
【請求項８】
前記弾性波質量体（１）は、鏡面対称に配置されたＳ字状湾曲ばね対（２、２’）によって、前記基板（５）と接続状態にある、請求項１から７までのいずれか１項記載の加速度センサ。
【請求項９】
少なくとも１つの櫛の歯状電極対（６、１１）が含まれており、当該櫛の歯状電極対のオーバーラップ長は、前記弾性波質量体（１）がウェハ面において変位したときにウェハ面において低減し、
少なくとも１つの別の櫛の歯状電極対（６’、１１’）が含まれており、当該櫛の歯状電極対のオーバーラップ長は、前記弾性波質量体（１）がウェハ面において同じ変位をしたときに増大する、請求項１から８までのいずれか１項記載の加速度センサ。
【請求項１０】
前記櫛の歯状電極（６、６’、１１、１１’）の前記弾性波質量体（１）および／または横方向ウェブ（７、７’、１２、１２’）の少なくとも部分は、穿孔された面として構成されている、請求項１から９までのいずれか1項記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、櫛の歯状電極を有する容量性のマイクロメカニカル技術による加速度センサに関する。この加速度センサは、特に低いドリフト（零点エラー）を有している。
【０００２】
従来技術
マイクロメカニカル技術による加速度センサの製造時には、析出ステップおよび構造化ステップを連続して行うことによって、基板上に、動く構造体を実現することができる。これは機械的なばね質量系である。ここでは、加速度が生じた際に、少なくとも１つの弾性波（seismische）質量体が基板に対向して、既知の復元力に対抗して変位する。ここで容量性センサの原理は、次のことに基づいている。すなわち、弾性波質量体と接続されている電極も、基板と接続されている電極も含まれており、これらの電極が回路技術的にコンデンサにまとめられ、弾性波質量体が変位した（Auslenkung）場合に、相互に、弾性波質量体のこの変位に相応する相対運動を行うことに基づいている。ここで、これらの電極によって形成されたコンデンサの容量は、弾性波質量体の変位にできるだけ一義的に依存して変化する。容量のこの変化は回路技術によって検出され、評価され、生じた加速度の計算を可能にする。電極は有利には、プレートコンデンサとして設計される。ここでは、電極間の間隔変化の評価またはオーバーラップ領域の大きさの変化に基づくセンサの幾何学的形状が採用される。加速度に依存する間隔変化ｄｘの場合には、加速度から生じた容量変化はｄＣ／Ｃ≒ｄｘ／ｘ０によってあらわされる。ここでＣは総容量、すなわち、装置の静止容量と寄生容量を足したものをあらわしており、ｘ０は電極間の静止間隔をあらわしている。オーバーラップ領域の大きさが、オーバーラップ長に依存してのみ変化する場合には、加速度ないし弾性波質量体の変位ｄｘから生じる容量変化はｄＣ／Ｃ≒ｄｘ／ｌ０によってあらわされ、Ｃは同じように総容量を示し、ｌ０は静止状態における電極のオーバーラップ長に相当する。
【０００３】
製造プロセスないしは殊に熱による後からの負荷によって、基板変形が生じ得る。ここでこの基板変形は、基板と接続されている個々の構造部材間の相応する相対運動と結び付いている。得にこのコンテキストにおいてクリチカルであるのは、弾性波質量体と接続されている電極の、直接的に基板と接続されている電極に対するドリフトｄｘ０である。これによって、不所望のオフセット信号が生じてしまう。このオフセット信号はｄｘ０／ｘ０ないしはｄｘ０／ｌ０に対して比例関係になる。
【０００４】
このような問題を、密に隣接している固定領域によって低減することが知られている（ＤＥ１９６３９９４６Ａ１）。この固定領域内では、相互に相対的に運動可能な個々の構造体部材と基板との間の接続が実現されている。しかしこのような解決方法は、固定領域と固定された構造部材との間の相対的に長い接続バーを必要とする。これによって多くの場所が必要となり、さらに装置の剛性が不利に低減されてしまう。さらにこの解決方法は、電極の運動が相互に垂直に行われ、ドリフトがｄｘ０／ｘ０に対して比例して生じる加速度センサにのみ関係する。この種のセンサにおいて充分な感度を得るために、電極間の静止間隔ｘ０は非常に小さく選択されるので、既に相対的に僅かなドリフトｄｘ０によって顕著な、ないしは許容不可能なオフセット信号が生じる。このオフセット信号は、基板上の固定領域の間の間隔を既知のように低減することによっても、実際の動作条件のもとでは処理されない。
【０００５】
発明の開示
技術的な課題
本発明の課題は、マイクロメカニカル技術による加速度センサに対するセンサ構造を提供することである。これは従来技術の欠点を回避しつつも、ドリフトが僅かであることを特徴とする。殊に、生じている基板変形に対する、零点信号の依存性は低減される。
【０００６】
技術的な解決方法
上述の課題は、請求項１の特徴部分に記載されたマイクロメカニカル技術による加速度センサによって解決される。従属請求項２〜１０には、本発明の加速度センサの有利な構成が記載されている。
【０００７】
本発明の中心部分は、弾性波質量体と接続された可動電極と、基板と接続された固定電極を櫛の歯状電極として有する構造的な形態にある。これらの電極は対になって配置されている。櫛の歯状電極はそれぞれ交差ウェブを有している。ここには電極薄片（Elektrodenlamellen）が設けられている。櫛の歯状電極の配置はここで次のように配置されている。すなわち、櫛の歯状電極の薄片が、弾性波質量体の変位方向に対して平行に延在し、薄片配置の開放領域を相互に重なって有するように配置されている。これによって、２つの対になって配置された櫛の歯状電極の薄片は少なくとも部分的にオーバーラップすることができる。薄片のオーバーラップ領域において櫛の歯状電極はコンデンサを構成する。このコンデンサの容量は、オーバーラップ領域の大きさが変化すると変化する。本発明は、変位する、基板と接続された少なくとも１つの弾性波質量体と、基板と固定的に接続された少なくとも１つの電極と、弾性波質量体と接続された少なくとも１つの電極を有するマイクロメカニズム技術による容量性加速度センサによって体現される。ここで、基板と固定的に接続された少なくとも１つの電極と、弾性波質量体と接続された少なくとも１つの電極は、櫛の歯状電極として構成されている。この櫛の歯状電極は弾性波質量体の変位方向に対して平行に延在する薄片を有している。ここで２つの櫛の歯状電極の薄片は静止状態において部分的に重なっている。
【０００８】
有利な作用
平行に延在している薄片の平行運動によってオーバーラップ長が変化し、この変化が弾性波質量体の変位に対する尺度として評価される櫛の歯状電極を本発明と相応に使用することによって、種々の利点が得られる。ドリフトはこの場合にはｄｘ０／ｌ０によってあらわされる。オーバーラップ長ｌ０は間隔に基づくコンデンサ装置の静止状態ｘ０よりも格段に大きく選択されるので、そうでない場合には比較可能なドリフトｄｘ０時に、従来のセンサ装置と比べてオフセット信号ｄＣ／Ｃが格段に低減される。
【０００９】
基板の中央領域に全ての固定領域を配置することの利点が、本発明のセンサ装置においても利用され、これによって、基板湾曲および類似の変形に対する特に高い不感度が得られる。
【００１０】
殊に、弾性波質量体が、電極装置を取り囲むフレームとして構成される場合には、相応の構造的な処置によって、全ての関連する接続領域が基板の中央部に密に隣接して収容される。本発明のセンサ構造は殊に、ウェハ面での加速度の検出が行われる、いわゆるｘ加速度センサおよびｙ加速度センサにおいて、有利に使用される。機能構造グループが基板に固定されている全ての固定領域が密に隣接して、弾性波質量体の変位方向に交差して延在する線上に位置するように配置されるのは特に有利である。この場合には個々の固定領域の間の間隔変化によって、主に機能構造グループ間の相対運動が生じる。この運動は弾性波質量体の測定変位に交差して行われ、オーバーラップ長に影響を与えない。相互にインターリーブされている櫛の歯状電極の横方向シフトはこれに対して、櫛の歯状電極によって構成されたコンデンサの容量に影響を与えない。なぜなら、薄片と櫛の歯状電極の間の間隔拡大および間隔縮小は相殺されるからである。
【００１１】
櫛の歯状電極を使用することによって、有利には狭い空間にオーバーラップ領域が実現される。これによって、このように設計された加速度センサの相応に大きい容量、ひいては高い感度が得られる。これは、基板と固定して接続されたそれぞれ複数の櫛の歯状電極と、弾性波質量体と接続された複数の櫛の歯状電極が含まれている場合に殊に当てはまる。これらは櫛の歯状電極対を構成し、この櫛の歯状電極対のオーバーラップ長は、弾性波質量体の変位に依存する。差容量の評価方法を使用する場合には、さらに、そのオーバーラップ長がウェハ面での弾性波質量体の変位時に増える少なくとも１つの櫛の歯状電極対と、そのオーバーラップ長がウェハ面での弾性波質量体の同じ変位時に低減する少なくとも１つの櫛の歯状電極対が含まれているのは有利である。これは、それぞれ複数の櫛の歯状電極対の配置に対して相応に当てはまる。
【００１２】
弾性波質量体を電極装置を取り囲むフレームとして構成することによって、別の有利な構造的手段を使用することが可能になる。基板への弾性波質量体の固定は有利には接続バーを介して行われる。この接続バーは基板の中央領域内に固定されており、自身の終端部でばねと接続されている。このばねは弾性波質量体の変位可能な取り付けに用いられる。このようなばねは有利にはＳ字状湾曲ばねとして構成されている。鏡面対称に構成されたＳ字状湾曲ばね対を介した懸架が行われる場合には、弾性波質量体の横方向感度は特に低くなる。
【００１３】
必要な固定領域を密に隣接して配置する原理では、接続バーの両面に担体バーが、基板と固定的に接続されている櫛の歯状電極を収容するために延在しているのは有利である。これは同じように、基板に、基板の中央領域内でのみ固定されている。プロセス技術的な理由から、弾性波質量体および／または櫛の歯状電極の交差ウェブの少なくとも一部が穿孔された面として構成されるのは有利である。
【００１４】
図面の簡単な説明
実施例に即して、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】弾性波質量体の面上の、本発明によるセンサ装置の平面図
【図２】図１の切断線Ｉ−Ｉに沿った本発明によるセンサ装置の断面図
【００１６】
本発明の実施形態
図１は、ウェハ面に対して平行の方向において、低いｇ領域の加速度を検出する、本発明によるセンサ装置の弾性波質量体面上の平面図を示している。弾性波質量体１は矩形のフレームとして構成されている。これは、Ｓ字状の湾曲ばね対２、２’を介して接続バー３と接続されている。これは同じように中央固定領域４を有している。ここでは接続バーは基板５と構造的に接続状態にある。Ｓ字状の湾曲ばね２、２’は、鏡対称に配置されており、ｘ方向での弾性波質量体１の変位方向を定める。なぜなら、Ｓ字状湾曲２、２’の変形は、横方向加速度の場合には、相互に妨害されるからである。このようにして横方向感度は僅かになる。しかもｘ方向におけるばね耐性を高める必要はない。これは、低加速度測定用の、本発明によるセンサの適合性に対する前提条件を構成する。択一的なばね形状、例えば低い総剛性を有する多重Ｕ字ばねが同じように実現可能であるが、これはより多くの場所を必要とする。
【００１７】
このフレーム状弾性波質量体１と固定的に接続されているのは櫛の歯状電極６、６’である。これらはそれぞれ交差ウェブ７，７’を含んでいる。これらはそれぞれ交差ウェブ７，７’に対して直角に延在している薄片８、８’を担う。薄片８、８’は、弾性波質量体１の変位方向に対して平行に延在している。フレーム状弾性波質量体１と固定的に接続されている櫛の歯状電極６、６’は、弾性波質量体１の変位方向に対して平行に延在しているフレーム領域からこのフレーム内へガイドされる。これによってフレーム状の弾性波質量体１は同時に、変位可能な機能部材の外側境界を形成する。ここでこの機能部材は、弾性波質量体１および弾性波質量体に固定された櫛の歯状電極６、６’から成る。この櫛の歯状電極は、交差ウェブ７、７’と薄片８、８’から成る。接続バー３に対して平行に担体バー９、９’が延在している。これらは同じように、それぞれ中央の固定領域１０、１０’を有している。ここでは担体バー９、９’は、基板５と構造的に接続状態にある。担体バー５、５’は、それぞれ、接続バー３の方を向いていない面に櫛の歯状電極１１，１１’を有している。これは同じように、各交差ウェブ１２、１２’および薄片１３、１３’から構成されている。自身の面に対して固定的に基板と接続されている担体バー９、９’を接続することによって、この櫛の歯状電極１１、１１’は、本発明における、基板５と固定的に接続された電極になる。
【００１８】
本発明における固定的な接続とは、測定加速度および／またはノイズ加速度が生じた際の、固定された構造体の変形または変位が、この場合に生じる、弾性波質量体１の変位に対して小さいことである。図１および図２の示された横断面および寸法は、縮尺通りではなく、かつ図示の構造の静的な関係をあらわしたものでもなく、主にその相互に相対的に行われる配置をあらわしたものである。
【００１９】
櫛の歯状電極１１、１１’は担体バー９、９’に次のように配置され、櫛の歯状電極６、６’はフレーム状の弾性波質量体１に次のように配置されている。すなわち、自身の薄片８、８’、１３、１３’が相互に接し、部分的に重なっているように配置されている。このようにして櫛の歯状電極対が構成される。そのオーバーラップ長は弾性波質量体１の変位に依存している。櫛の歯状電極の薄片の頂上部と、この頂上部に対向している、櫛の歯状電極対のそれぞれ他方の櫛の歯状電極の交差ウェブとの間の間隔は、弾性波質量体１の最大変位よりも若干大きい。弾性波質量体１の最大変位は、ストッパ構造体によって定められる。これは、フレーム状の弾性波質量体１内の矩形の切欠き１４と、この切欠き内に突出している、基板５上に固定された柱１５によって構成されている。弾性波質量体１の最大変位の領域１６は図において破線で輪郭が描かれている。この実施例において、例えば弾性波質量体１のこのような最大変位が存在する場合、コンデンサを構成する櫛の歯状電極６、６’、１１、１１’の接触はぎりぎりではあるが確実に回避される。このようにして、櫛の歯状電極６、６’、１１、１１’の薄片８、８’、１３、１３’の最大に使用可能なオーバーラップが得られる。これは、センサ装置の静止状態においてオーバーラップ長１０によってあらわされる。このようなケースでは、オーバーラップ長１０は比較的大きいので、典型的な、エラーに基づいたドリフトｄｘ０の場合には、従来のセンサ装置とは異なり、オフセット信号ｄＣ／Ｃが格段に低減される。櫛の歯状電極６、６’、１１、１１’は次のように配置される。すなわち、接続部３−および担体バー９、９’から成るバー配置の右側に、櫛の歯状電極対６、１１が設けられるように配置される。この櫛の歯状電極のオーバーラップ長は、弾性波質量体１の変位時には、ｘ方向で増大する。さらに、櫛の歯状電極６、６’、１１、１１’は次のように配置される。すなわち、接続部３−および担体バー９、９’から成るバー配置の左側に、櫛の歯状電極対６’、１１’が設けられるように配置される。この櫛の歯状電極のオーバーラップ長は、弾性波質量体１の変位時には、ｘ方向で低減する。これによって本発明のセンサ装置は、差容量評価方法に特に適する。なぜなら、生成されるべき測定信号は、ウェハ面における妨害横方向加速度およびねじれ加速度によってほぼ影響が与えられないからである。プロセス技術的な理由から、フレーム状の弾性波質量体１並びに櫛の歯状電極６、６’、１１、１１’の交差ウェブ、７’、１２、１２’は穿孔１７を有する。これによって、構造体を離す際に容易なアンダーカットが保証される。接続バー３および担体バー９、９’の中央固定領域４、１０、１０’は、弾性波質量体１の変位方向と交差する線内にある。全ての固定領域４、１０、１０’を基板５の中央領域内に配置することによって、基板湾曲および類似の変形に対して高い不感度が得られる。全ての固定領域４、１０、１０’を弾性波質量体の変位方向に対してクロスする線上に配置することによって、このような基板湾曲に対する高い不感度が再度、所期のように、センサ装置の測定方向（ｘ方向）において改善される。なぜなら、全ての固定領域４、１０、１０’の配置の列から成る個々の固定領域の噛み合いはずれに導く変形のみが、測定信号ないしはオフセットの変化も生じさせるからである。しかしこのような不均一な変形はしかし、格段に僅かな程度で生じ、本発明のセンサ装置においては通常の作動条件下では測定技術的に重要ではない。
【００２０】
図２は、図１の切断線Ｉ−Ｉに沿った本発明のセンサ装置の概略的な断面図を示している。シリコンから成る基板５上には、矩形の柱１８、１８’、１８’ ’の形で支持構造が立ち上げられている。これは、接続バー３および担体バー９、９’の固定領域４、１０、１０’に通じ、基板５とのそれらのバーとの接続に用いられる。固定領域４、１０、１０’は、弾性波質量体１の変位方向に対して交差する切断線Ｉ−Ｉ上に密に隣接して位置している。基板５を介して、装置の側方伸張が、フレーム状の弾性波質量体１によって定められる。図の左側の領域では、弾性波質量体１の横断面が、変位方向に対して平行に延在するフレーム領域の領域において見られ、図の右側の領域では、弾性波質量体が、櫛の歯状電極６の交差ウェブ７に対する接続の領域において切断されている。弾性波質量体１は、接続バー３を介してのみ基板５と接続状態にある。接続バー３の右側には、担体バー９の横断面が示されており、接続バー３の左側には、担体バー９’が、櫛の歯状電極１１’の、担体バー９’に取り付けられている交差ウェブ１２’の領域において切断されている。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2010513888.tif 000005
2010513888.tif 000006
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