(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極および第２電極を含む固定部電極、および前記固定部電極に対向して配置される可動部電極を有する微小構造体の変位量測定装置であって、
前記第２電極と前記可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように、前記第１電極と前記可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、前記第２電極と前記可動部電極との間に前記バイアス信号を印加するバイアス信号印加手段と、
前記第１電極と前記可動部電極との間から取出された検出信号と、前記第２電極と前記可動部電極との間から取出された検出信号との差分を検出して、前記可動部電極の共振に起因した信号を検出する検出手段とを備える、微小構造体の変位量測定装置。
【請求項２】
前記固定部電極の前記第１電極と、前記第２電極は分離して設けられている、請求項１に記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項３】
前記バイアス信号印加手段は、前記可動部電極が作動するまでバイアス信号を印加し、作動後はバイアス信号の印加を停止し、
前記検出手段は、前記バイアス信号の印加が停止された後、前記可動部電極が減衰振動することにより出力される変位信号を検出する、請求項１または２に記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項４】
前記バイアス信号印加手段は、一定電位からレベルが変化する直流バイアス信号または時間的に電位が変動する交流バイアス信号を前記第１電極と前記可動部電極との間に印加する、請求項１から３のいずれかに記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項５】
前記第１および第２電極は、前記可動部電極に対して第１の方向に対向して配置され、
前記可動部電極に対して、前記第１の方向とは異なる第２の方向に対向して配置される第３および第４電極を含み、
前記バイアス信号印加手段は、前記第１電極と前記可動部電極との間に前記バイアス信号を印加して励振することに加えて、前記第３電極と前記可動部電極との間にバイアス信号を印加して前記可動部電極を変位させ、
前記検出手段は、前記第４電極と前記可動部電極との間から取出される検出信号に基づいて、前記可動部電極の前記第２の方向の変位を検出する、請求項１から４のいずれかに記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項６】
前記検出手段は、前記第１電極と前記可動部電極との間に印加されるバイアス信号に同期して前記可動部電極の前記第２の方向の変位を検出する同期検波手段を含む、請求項５に記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項７】
前記バイアス信号印加手段は、ランダムなノイズ信号を含むランダム信号を前記バイアス信号として前記第１電極と前記可動部電極との間に印加し、
前記検出手段は、前記ランダム信号に応じて前記可動部電極が共振することにより前記第２電極と前記可動部電極との間から出力される変位信号を検出する、請求項１から６のいずれかに記載の微小構造体の変位量測定装置。
【請求項８】
第１電極および第２電極を含む第１の固定部電極、および前記第１の固定部電極に対向して配置される可動部電極を有する微小構造体と、
第３電極および第４電極を含む第２の固定部電極、および前記第２の固定部電極に対向して配置されかつ固定された擬似可動部電極を有し、前記微小構造体と同一構造および同一の位置関係で配置された擬似微小構造体と、
前記第１電極と前記可動部電極との間に、バイアス信号を印加するバイアス信号印加手段と、
前記第２電極と前記可動部電極との間から取出されたノイズ成分を含む検出信号を抽出する第１の信号抽出手段と、
前記第３電極と前記擬似可動部電極との間にバイアス信号を印加して、前記第４電極と前記擬似可動部電極との間で前記ノイズ成分に対応する信号を抽出する第２の信号抽出手段と、
前記第１の信号抽出手段で抽出されたノイズ成分を含む検出信号から、前記第２の信号抽出手段によって抽出された前記ノイズ成分に対応する信号を差し引いて前記微小構造体の前記可動部電極の変位を検出する検出手段とを備える、微小構造体の変位量測定装置。
【請求項９】
第１電極および第２電極を含む固定部電極と、前記固定部電極に対向して配置される可動部電極とを有する微小構造体の変位量測定方法であって、
前記第２電極と前記可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように、前記第１電極と前記可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、前記第２電極と前記可動部電極との間に前記バイアス信号を印加するステップと、
前記第１電極と前記可動部電極との間から取出された検出信号と、前記第２電極と前記可動部電極との間から取出された検出信号との差分を検出して、前記可動部電極の共振に起因した信号を検出するステップとを備える、微小構造体の変位量測定方法。
【請求項１０】
第１電極および第２電極を含む固定部電極と、前記固定部電極に対向して配置される可動部電極とを有する微小構造体と、第３電極および第４電極を含む第２の固定部電極と、前記第２の固定部電極に対向して配置されかつ固定された擬似可動部電極とを有し、前記微小構造体と同一構造および同一の位置関係で配置された擬似微小構造体とを用いて前記微小構造体の変位量を測定する変位量測定方法であって、
前記微小構造体の前記第１電極と前記可動部電極との間にバイアス信号を印加するステップと、
前記微小構造体の前記第２電極と前記可動部電極との間から取出されたノイズ成分を含む検出信号を抽出するステップと、
前記擬似微小構造体の前記第３電極と前記擬似可動部電極との間にバイアス信号を印加して前記第４電極と前記擬似可動部電極との間で前記ノイズ成分に対応する信号を抽出するステップと、
前記ノイズ成分を含む検出信号から前記ノイズ成分に対応する信号を差し引いて、前記可動部電極の変位信号を出力するステップとを含む、微小構造体の変位量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速度センサや角速度センサなどの微小構造体の変位量測定装置および変位量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小構造体デバイスとして、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を使用した多軸加速度センサや多軸角度センサが、例えば自動車のエアーバッグなど多くの分野において多用されている。このような微小構造体は、センサ出力などを測定するために各種テストが行なわれる。
【０００３】
ＭＥＭＳセンサのテスト方法がＵＳ２００７／００８０６９５号公報（特許文献１）に記載されている。特許公報１には、入力信号発生器から入力信号をＭＥＭＳセンサのキャパシタの一方電極を構成している固定電極に与え、他方電極を構成する可動電極から出力される出力信号を検出システムに与えている。ＭＥＭＳセンサは、加振器によって加振され、検出システムは、共振周波数，ばね定数，ダンピング定数などを測定する。
【特許文献１】ＵＳ２００７／００８０６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されている測定方法では、外部変位源を用いているため、テストシステムの構成が複雑で、高コストになる。特に、多軸加速度センサや多軸角速度センサの場合は、各検出軸方向に変位を与える必要があり、外部変位源の構成はより複雑になる。しかも、微小構造体の支持部材、微小構造体の可動部の支持部などを経由して間接的に可動部に変位を与えるので、可動部に加わるインパクト時間、強さ、位相を精密に制御できず、測定精度が高くない。
【０００５】
微小構造体は、ウェハ上に形成されている状態で特性を測定する必要がある。特許文献１には、１個のＭＥＭＳセンサを測定方法について記載されているが、ウェハ上に形成されているＭＥＭＳセンサの測定方法については記載されていない。特許文献１に記載されている加振器等の外部変位源からウェハに変位を与えると、ウェハ全体に外部から変位を与えるため、パッド上に接触させているプローブ針が振動して、接触抵抗が測定時に変動したり、電気接触が取れなくなったりする不具合がある。
【０００６】
また、外部変位源を用いることなく、可動部電極と対向する固定部電極との間でバイアス印加により静電駆動する方法では、印加バイアス信号が検出回路にノイズとして流入し、正確な測定ができないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、外部変位源を必要とせず、精度よく微小構造体の特性を測定できる微小構造体の変位量測定装置および変位量測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
この発明は、第１電極および第２電極を含む固定部電極、および固定部電極に対向して配置される可動部電極を有する微小構造体の変位量測定装置であって、第２電極と可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように、第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、第２電極と可動部電極との間に前記バイアス信号を印加するバイアス信号印加手段と、第１電極と可動部電極との間から取出された検出信号と、第２電極と可動部電極との間から取出された検出信号との差分を検出して、可動部電極の共振に起因した信号を検出する検出手段とを備える。
【０００９】
この発明では、第２電極と可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加するようにした後、第２電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加するようにしたので、ノイズ成分を軽減した可動部電極の変位信号を出力できる。
【００１０】
好ましくは、固定部電極の第１電極と、第２電極は分離して設けられている。
【００１１】
固定部電極の第１電極と、第２電極とを分離することにより、第１電極に印加されるバイアス信号が可動部電極を介して第２電極に混入し難くすることができる。
【００１２】
好ましくは、バイアス信号印加手段は、可動部電極が作動するまでバイアス信号を印加し、作動後はバイアス信号の印加を停止し、検出手段は、バイアス信号の印加が停止された後、可動部電極が減衰振動することにより出力される変位信号を検出する。
【００１３】
自由振動する波形を分析することにより、静電容量の変化を測定し、共振周波数や減衰特性やＱ値を検出できる。
【００１６】
好ましくは、バイアス信号印加手段は、一定電位からレベルが変化する直流バイアス信号または時間的に電位が変動する交流バイアス信号を第１電極と可動部電極との間に印加する。
【００１７】
このようなバイアス信号を用いることにより、可動部電極を可動部の共振周波数で共振させることができる。
【００１８】
好ましくは、第１および第２電極は、可動部電極に対して第１の方向に対向して配置され、可動部電極に対して、第１の方向とは異なる第２の方向に対向して配置される第３および第４電極を含み、バイアス信号印加手段は、第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加することに加えて、第３電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加して可動部電極を共振させ、検出手段は、第２電極と可動部電極との間から取出される検出信号に基づいて、可動部電極の第１の方向の変位を検出するとともに、第４電極と可動部電極との間から取出される検出信号に基づいて、可動部電極の第２の方向の変位を検出する。
【００１９】
可動部電極の第１および第２の方向の変位を検出できるので、角速度センサの検査が可能になる。
【００２０】
好ましくは、検出手段は、第１電極と可動部電極との間に印加されるバイアス信号に同期して可動部電極の第２の方向の変位を検出する同期検波手段を含む。
【００２１】
同期検波することにより、バイアス信号の周波数成分に追従する共振信号を取出すことができる。
【００２２】
好ましくは、バイアス信号印加手段は、ランダムなノイズ信号を含むランダム信号をバイアス信号として第１電極と可動部電極との間に印加し、検出手段は、ランダム信号に応じて可動部電極が共振することにより第２電極と可動部電極との間から出力される変位信号を検出する。
【００２３】
ランダム信号をバイアス信号として使用することにより、可動部の共振周波数が強調された信号となるので、共振による周波数特性が得られる。
【００２４】
この発明の他の局面は、第１電極および第２電極を含む第１の固定部電極、および第１の固定部電極に対向して配置される可動部電極を有する微小構造体と、第３電極および第４電極を含む第２の固定部電極、および第２の固定部電極に対向して配置されかつ固定された擬似可動部電極を有し、微小構造体と同一構造および同一の位置関係で配置された擬似微小構造体と、第１電極と可動部電極との間に、バイアス信号を印加するバイアス信号印加手段と、第２電極と可動部電極との間から取出されたノイズ成分を含む検出信号を抽出する第１の信号抽出手段と、第３電極と擬似可動部電極との間にバイアス信号を印加して、第４電極と擬似可動部電極との間で前記ノイズ成分に対応する信号を抽出する第２の信号抽出手段と、第１の信号抽出手段で抽出されたノイズ成分を含む検出信号から、第２の信号抽出手段によって抽出された前記ノイズ成分に対応する信号を差し引いて微小構造体の前記可動部電極の変位を検出する検出手段とを備える。
【００２５】
この発明では、抽出されたノイズ成分を含む検出信号から、擬似微小構造体にバイアス信号を印加することで得られるノイズ成分に対応する信号を差し引くことにより、可動部電極の真の変位信号を検出できる。
【００２８】
この発明のさらに他の局面は、第１電極および第２電極を含む固定部電極と、固定部電極に対向して配置される可動部電極とを有する微小構造体の変位量測定方法であって、第２電極と可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように、第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、第２電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加するステップと、第１電極と可動部電極との間から取出された検出信号と、第２電極と可動部電極との間から取出された検出信号との差分を検出して、可動部電極の共振に起因した信号を検出するステップとを備える。
【００２９】
この発明においても、第２電極と可動部電極との間から取出される検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、第２電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加するようにしたので、ノイズ成分を軽減した可動部電極の変位信号を出力できる。
【００３０】
この発明のさらに他の局面は、第１電極および第２電極を含む固定部電極と、固定部電極に対向して配置される可動部電極とを有する微小構造体と、第３電極および第４電極を含む第２の固定部電極と、第２の固定部電極に対向して配置されかつ固定された擬似可動部電極とを有し、微小構造体と同一構造および同一の位置関係で配置された擬似微小構造体とを用いて微小構造体の変位量を測定する変位量測定方法に関し、次のステップを含む。すなわち、変位量測定方法は、微小構造体の第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加するステップと、微小構造体の第２電極と可動部電極との間から取出されたノイズ成分を含む検出信号を抽出するステップと、擬似微小構造体の第３電極と擬似可動部電極との間にバイアス信号を印加して第４電極と擬似可動部電極との間でノイズ成分に対応する信号を抽出するステップと、ノイズ成分を含む検出信号からノイズ成分に対応する信号を差し引いて、可動部電極の変位信号を出力するステップとを含む。
【００３１】
この発明では、抽出されたノイズ成分を含む検出信号から、擬似微小構造体にバイアス信号を印加することで得られるノイズ成分に対応する信号を差し引くことにより、可動部電極の真の変位信号を検出できる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、検出信号にノイズ信号の影響を少なくするように固定部電極の第１電極と可動部電極との間にバイアス信号を印加した後、第２電極と可動部電極との間に前記バイアス信号を印加し、検出信号を固定部電極の第２電極と可動部電極との間から取出すことにより、バイアス信号を印加する電極と、検出信号を取出す電極を分けることができるので、バイアス信号が可動部電極に混入するのを軽減でき、外部変位源を使用することなく精度よく微小構造体の変位量を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１はこの発明の一実施形態における微小構造体の変位量測定装置を示すブロック図である。図１において、微小構造体１は、例えば外部から速度が加えられると加速度を検出する加速度センサなどである。微小構造体１は、第１電極２および第２電極３を含む固定部電極４と、固定部電極４に対向して配置される可動部電極５とを含む。微小構造体１は、可動部電極５と固定部電極４とが水平となるように配置され、可動部電極５は固定部電極４の第１電極２と可動部電極５との間に与えられるバイアス信号によって変位させられる。固定部電極４の第２電極３と可動部電極５との間から変位信号が検出信号として取出される。このような微小構造体１は図示しないウェハ上に多数形成される。
【００３４】
なお、図１に示す微小構造体１は、可動部電極５がバイアス信号によって変位する方向と、加速度が加えられることにより変位する方向が同一である加速度センサの一例である。
【００３５】
バイアス信号印加手段として作動するバイアス発生回路２０からバイアス信号が第１電極２と可動部電極５との間に与えられると、可動部電極５が変位し、その変位に応じた静電容量の変化が検出信号として固定部電極４の第２電極３と可動部電極５との間から取出されて、検出信号がＣ／Ｖ変換回路３０に与えられる。Ｃ／Ｖ変換回路３０は、静電容量の変化を電圧の変化に変換して、検出回路４０に出力する。検出回路４０は電圧の変化に応じた測定信号を出力する。Ｃ／Ｖ変換回路３０と、検出回路４０は検出手段、同期検波手段、第１および第２の信号抽出手段として作動する。
【００３６】
図２は図１に示した微小構造体の構造を示す図であり、（Ａ）は図解的平面図を示し、（Ｂ）は図２（Ａ）の線ＩＩＢ−ＩＩＢから見た断面図である。図２（Ｂ）に示す基板１０上に酸化絶縁膜１１が形成されており、微小構造体１は、酸化絶縁膜１１上に形成されている。
【００３７】
すなわち、図１に示した可動部電極５は、図２において櫛歯状電極が接続される可動部電極の錘部５１と、可動部電極の錘部５１の長手方向に対して直交する一方方向に櫛歯状に延びる複数の可動部櫛歯状電極５２と、他方方向に延びる複数の可動部櫛歯状電極５３と、可動部電極の錘部５１の両端を支持する可動部バネ５４，５５と、可動部バネ５４，５５を固定するアンカー部５６，５７とを含む。アンカー部５６，５７は酸化絶縁膜１１上に形成されているが、可動部バネ５４，５５と、可動部電極の錘部５１および複数の可動部櫛歯状電極５２，５３は酸化絶縁膜１１に固定されていないので、速度が加えられると共振する。
【００３８】
固定部電極４の第１電極２と、第２電極３は、それぞれが分離して設けられており、可動部電極５を挟むように酸化絶縁膜１１上に形成されている。第１電極２は可動部電極５の可動部電極の錘部５１の一方側から延びる複数の可動部櫛歯状電極５２の間に位置する固定部櫛歯状部２１を含む。第２電極３は可動部電極５の可動部電極の錘部５１の他方側から延びる複数の可動部櫛歯状電極５３の間に位置する固定部櫛歯状部３１を含む。
【００３９】
櫛歯状部２１と可動部櫛歯状電極５２との間隔は、上段が広く下段は狭くなるよう配置されている。逆に、櫛歯状部３１と可動部櫛歯状電極５３との間隔は、上段が狭く下段は広くなるよう配置されている。電極間容量値は電極間距離が狭い方が大きく、また同じ距離変化では元々電極間距離が狭い方が大きく容量値が変化する。したがって、櫛歯状部２１と可動部櫛歯状電極５２と容量値の変化は、下段の電極間距離の変化が支配的に影響する。逆に櫛歯状部３１と可動部櫛歯状電極５３との間の容量値の変化は、上段の電極間距離の変化が支配的に影響する。
【００４０】
可動部電極の錘部５１の長手方向に対して加速度がかかり、可動部電極の錘部５１および可動部櫛歯状電極５２，５３が慣性力で紙面上方向に変位した場合、櫛歯状部２１と可動部櫛歯状電極５２との間の容量値は増加し、逆に、櫛歯状部３１と可動部櫛歯状電極５３との間の容量値は減少する。両者の容量値の差分をモニターしておけば、慣性力による可動部の変位、すなわち加速度の指標がモニターできる。これが加速度センサとしての微小構造体１の動作である。
【００４１】
第１電極２の一端にはバイアス印加パッド２２が形成されており、第２電極３の一端には検出電極パッド３２が形成されており、可動部電極５のアンカー部５７には可動部検出パッド５８が形成されている。これらのパッド２２，３２，５８には図示しないプローブカードのプローブ針が接触して、バイアス信号を印加したり、検出信号が取出されたりする。
【００４２】
図１に示したバイアス発生回路２０から出力されたバイアス出力は、バイアス印加パッド２２と可動部検出パッド５８に接続され、櫛歯状部２１と可動部櫛歯状電極５２とにバイアスが印加される。Ｃ／Ｖ変換回路３０の信号入力は、検出電極パッド３２と可動部検出パッド５８に接続される。第１電極２と可動部電極５との間にバイアス信号を印加すると、可動部電極５が変位し、第２電極３と可動部電極５との間の静電容量が変化し、可動部電極５の変位に応じた検出信号が現れる。
【００４３】
図３はノイズ成分を検出するときに使用される擬似微小構造体１ａの構造を示す図であり、（Ａ）は図解的平面図を示し、（Ｂ）は図３のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢから見た断面図である。擬似微小構造体１ａは、図２に示した微小構造体１と別途に設けられ、同一構造、同一の位置関係で配置されるが、擬似可動部電極５ａの擬似錘部５１ａと擬似可動部櫛歯状電極５２ａ,５３ａとが酸化絶縁膜１１上に固定的に形成されている点だけが異なっている。擬似微小構造体１ａは、第１電極２と擬似可動部電極５ａとの間にバイアス信号が印加されても、擬似可動部電極５ａは変位せず、バイアス信号の漏洩成分が擬似可動部電極５ａを介して第２電極３に現れるので、バイアス信号の漏洩成分をノイズ成分として、第２電極３から取出すことができる。
【００４４】
図４は、微小構造体１の第１電極２と可動部電極５との間に印加される交流バイアス信号のバイアス電位と、第２電極３と可動部電極５との間から取出される検出信号に含まれる、第２電極３と可動部電極５との間の容量変化を示す波形図である。
【００４５】
次に、この発明の一実施例における微小構造体の測定装置の動作について説明する。図１に示したバイアス発生回路２０は、図４（Ａ）に示す時間的に電位が変動する交流バイアス信号ａを出力し、固定部電極４の第１電極２と可動部電極５との間に印加して、可動部電極５を静電引力で強制的に所望の変位で静電駆動する。このとき、対向する櫛歯状部３１と可動部櫛歯状電極５３との間の静電容量が変化する。Ｃ／Ｖ変換回路３０は、図４（Ｂ）に示す静電容量の容量変化ｂを電圧の変化に変換する。検出回路４０は電圧の変化に基づいて、変位量を検出する。
【００４６】
なお、交流バイアス信号は、正弦波信号、矩形波信号、三角波信号などのように時間的に電位が変動する信号であればよい。このとき、可動部電極５の可動部バネ５４，５５の伸縮運動の共振周波数で駆動すれば、より効率的に可動部の変位が得られる。
【００４７】
このように、第１電極２と可動部電極５との間にバイアス信号を印加し、第２電極３と可動部電極５との間から可動部電極５の容量変化を取出すことができるので、バイアス信号を印加する電極と、検出信号を取出す電極を分けることにより、バイアス信号が第２電極３に混入するのを軽減でき、外部変位源を使用することなく精度よく微小構造体の特性を測定できる。
【００４８】
しかしながら、図４（Ｂ）に示す容量変化ｂをＣＶ変換した後の観測できる信号には、第１電極２と可動部電極５との間に印加された交流バイアス信号ａが可動部電極５を介して第２電極３に混入することによるノイズ成分ｃが含まれているので正確な測定ができない。そこで、ノイズ成分ｃを容量変化ｂから除去して、真の可動部電極５の変位信号を検出する方法について説明する。
【００４９】
バイアス発生回路２０とＣ／Ｖ変換回路３０を図２に示した微小構造体１に代えて、図３に示した擬似微小構造体１ａに接続する。バイアス発生回路２０から交流バイアス信号を出力して、図４（Ａ）に示すバイアス電位ａを第１電極２と擬似可動部電極５ａとの間に印加しても、擬似可動部電極５ａの可動部電極の錘部５１ａと可動部櫛歯状電極５２ａ,５３ａとが酸化絶縁膜１１上に固定されているので、擬似可動部電極５ａは変位しない。交流バイアス信号ａは擬似可動部電極５ａを介して、第２電極３にノイズ成分ｃとして漏洩する。このノイズ成分ｃは、Ｃ／Ｖ変換回路３０で電圧に変換され、検出回路４０によってノイズ成分ｃの電圧値が検出される。このノイズ成分ｃを、前述の微小構造体１で検出した容量変化ｂの電圧変換値から差し引けば、ノイズ成分ｃを含まない容量変化の電圧変換値を検出することが可能になるので、可動部電極５の真の変位信号を検出できる。
【００５０】
このように、第２電極３に混入するノイズ成分を予め検出しておき、検出した容量変化ｂの電圧変換値からノイズ成分を差し引くことにより、可動部電極５の真の変位信号を検出できるので、精度よく微小構造体１の特性を測定できる。
【００５１】
図５は、ランダムノイズ信号としてホワイトノイズを使用する実施例を説明するための波形図である。バイアス発生回路２０は、図５（Ａ）に示すホワイトノイズのバイアス信号を発生してバイアス電位（ｄ）を第１電極２に印加する。ホワイトノイズは、広い周波数帯域にわたって一様なエネルギーで分布しているノイズである。第１電極２と可動部電極５との間にホワイトノイズがバイアス信号として印加されると、可動部電極５がホワイトノイズ信号に含まれる自らの共振周波数成分を消費して共振する。Ｃ／Ｖ変換回路３０は、図５（Ｂ）に示す第２電極３と可動部電極５との間に生じる静電容量の変化ｅを電圧に変換する。検出回路４０は、Ｃ／Ｖ変換回路３０から与えられる電圧の変化に基づいて、周波数成分を分析することにより共振周波数とその振幅を検出することが可能になる。
【００５２】
この実施例によれば、ホワイトノイズをバイアス信号として使用することにより、検出信号は微小構造体１の共振周波数が強調された信号となるので、共振による周波数特性が得られる。これにより、共振周波数の測定や、良好なＳ／Ｎ比でＱ値の測定が可能になる。Ｑ値は共振のピークの鋭さを示す指標である。
【００５３】
図６から図８は、可動部電極５が作動するまでバイアス信号を印加し、可動部電極５が作動後はバイアス信号の印加を停止する実施例を説明するための波形図である。
【００５４】
バイアス発生回路２０は、図６（Ａ）に示すように一定電位の直流バイアス信号を発生し、バイアス電位ｆを第１電極２と可動部電極５との間に印加して可動部電極５を強制変位させておく。時刻０で直流バイアス信号を０または他のレベルに変化させる。可動部電極５は、直流バイアス信号のレベルが変化すると、強制力を失い、強制力を失った可動部電極５は、その構成要素である可動部バネ５４，５５の復元力で、その位置を復元しようとして自由振動する。可動部電極５は時間の経過とともに振動が減衰するので、可動部電極５と第２電極３との間の容量変化ｇが図６（Ｂ）に示すように減衰する。検出回路４０は、Ｃ／Ｖ変換回路３０で変換された電圧の変化に基づいて、直流バイアス信号の印加を停止した時刻０からの自由振動波形を分析し、静電容量の変化を測定して共振周波数や減衰特性やＱ値を検出する。
【００５５】
図６の説明では、バイアス信号として直流バイアスを用いたのに対して、図７は交流バイアスを用い、時刻０で可動部電極５が作動を開始後に交流バイアスの印加を停止する。すなわち、バイアス発生回路２０は、交流バイアス信号を発生し、図７（Ａ）に示すバイアス電位ｈを第１電極２と可動部電極５との間に印加する。このとき交流バイアス信号は、期待される共振周波数で可動部電極５が共振するような周波数に選ぶのが好ましい。
【００５６】
バイアス発生回路２０は、交流バイアス信号の印加停止後の時刻０で交流バイアス信号のバイアス電位ｈを０Ｖまたは所定の直流電位に変化させる。可動部電極５は、第１電極２と可動部電極５との間に交流バイアス信号が印加されている間は、バイアス電位に応じて振動しているが、バイアス電位が印加されなくなると強制力を失う。強制力を失った可動部電極５は、可動部バネ５４，５５の復元力で、その位置を復元しようとして自由振動するが、振動が減衰して自由振動を完了する。検出部４０は、バイアス印加時から時刻０を経て自由振動完了に至るまでの図７（Ｂ）に示す容量変化ｉを検出する。また、検出回路４０は、時刻０からの自由振動波形を分析し、静電容量の変化を測定して共振周波数や減衰特性やＱ値を検出する。
【００５７】
図８は、時刻０で可動部電極５が作動を開始するまで１パルスを印加する例である。バイアス発生回路２０が、所定のレベルに立ち上がり、時刻０で立ち下がる１パルスのバイアス信号を発生して、図８（Ａ）に示すバイアス電位ｊを第１電極２と可動部電極５との間に印加すると、可動部電極５は強制振動する。時刻０以降はバイアス信号が印加されないので、強制力を失った可動部電極５は、可動部バネ５４，５５の復元力で、その位置を復元しようとして自由振動するが、振動が減衰して自由振動を完了する。１パルスのパルス幅は、共振周波数の周期に選ぶのが好ましい。
【００５８】
なお、図２に示した微小構造体１は、固定電極４として分離された第１電極２と、第２電極３とを有しているが、一方の電極のみを設けるようにしてもよい。この場合、バイアス信号を印加するタイミングと、検出信号を取出すタイミングとを異ならせるようにすればよい。
【００５９】
また、第１電極２と可動部電極５との間にバイアス電位を印加して第２電極と可動部電極５との間の静電容量を検出し、第２電極３と可動部電極５との間にバイアス電位を印加して第１電極と可動部電極５との間の静電容量を検出し、同一位相でのこれらの検出した静電容量の差分を取ることで可動部電極５の共振に起因したノイズの検出を行うようにしてもよい。
【００６０】
図９は、この発明の他の実施形態における微小構造体１ｂを示す平面図である。図２に示した微小構造体１は、加速度センサであるのに対して、図９に示した微小構造体１ｂは角速度センサである。加速度センサは、加速度が加えられたときに錘部を有する可動部電極がその方向に変位するセンサであるのに対して、角速度センサは、常に可動部電極を励振させておき、角速度が加わった際に可動部電極に生じるコリオリ力によって可動部をその励振方向とは垂直方向に変位させるセンサである。加速度センサは本発明におけるバイアス信号によって可動部電極が変位する方向と、加速度が加えられたときに可動部電極が変位する方向が同じであるのに対して、角速度センサは、可動部電極を励振させた状態で、角速度が加わった際に可動部電極が変位する方向に静電引力で変位させ、その特性を測定する必要がある。
【００６１】
図９を参照して、角速度センサなどの微小構造体１ｂについて、より具体的に説明する。角速度センサなどの微小構造体１ｂは、固定部電極４の第１電極２と、第２電極３と、可動部電極５ｂとを含むが、これらは図１の微小構造体１と同様に構成されている。可動部電極５ｂは励振バネ６１，６２を介して、結合部材６３，６５に結合されている。結合部材６３，６４は検出バネ６５，６６，６７，６８を介してアンカー部７１，７２，７３，７４によって支持されている。結合部材６３，６５に対向するように第３電極８１と、第４電極８２とが設けられている。
【００６２】
図２に示す加速度センサの場合とは異なり、可動部電極５ｂの櫛歯電極と第１電極２の櫛歯部の上下方向の間隔は同一に配置されている。これはバイアス印加により、紙面の図９に示す矢印Ｂ方向ではなく矢印Ａ方向に可動部を変位させるためである。可動部電極５ｂの櫛歯電極と第２電極３の櫛歯部の上下方向の間隔も同様である。第１電極２と可動部電極５ｂとの間に印加されるバイアスにより可動部電極５ｂを図９に示す矢印Ａ方向に励振させた状態で、矢印Ｃ方向に回転力が加わると、コリオリ力により可動部電極５ｂには、矢印Ｂ方向の変位が加わる。第２電極３と可動部電極５ｂとの間および第４電極８２と可動部電極５との間で検出される容量変化に、回転に伴う変位成分が含まれる。検出回路４０は、これらの変位成分に基づいて角速度を検出する。
【００６３】
図１の説明と同様にして、バイアス発生回路２０からバイアス信号が第１電極２と可動部電極５ｂとの間に印加されると、可動部電極５ｂが図９に示す矢印Ａ方向に変位する。バイアス信号を励振バネ６１，６２の復元力で可動部を矢印Ａ方向に共振させる周波数に設定すれば可動部電極５ｂは矢印Ａ方向に共振する。可動部電極５ｂと固定部電極４の静電容量の変化が第２電極３と可動部電極５ｂとの間で検出される。
【００６４】
一方、第３電極部８１と可動部電極５ｂとの間にバイアス信号が印加されると、可動部電極５ｂは矢印Ｂ方向に変位し、矢印Ｂ方向に変位する可動部電極５ｂと第２電極３との間の静電容量の変化が第４電極部８２によって検出される。この矢印Ｂ方向の可動部電極５ｂの変位は、角速度が加わった際に可動部電極５ｂに生じるコリオリ力による変位を擬似的に起こすものである。
【００６５】
この例において、第１電極２と可動部電極５ｂとの間に印加されるバイアス信号の周波数で検出信号を同期検波し、バイアス信号の周波数成分に追従する共振信号を取出すのが好ましい。
【００６６】
なお、第３電極８１と可動部電極５ｂとの間に、前述の図４から図８に示すようにバイアス信号を印加してもよい。
【００６７】
なお、図１に示した微小構造体１をウェハ状態で検査する際、例えば第１電極２の櫛歯状部２１と、可動部電極５の可動部櫛歯状電極５２とがひっついてしまい、物理的接触が離れなくなる、いわゆるスティクションが発生することがある。スティクションが発生すると、それ以降の測定ができなくなるばかりでなく、デバイスとしても不良品となってしまう。このようなスティクションは、測定前に既に発生していることもあれば、測定時に可動部電極５にバイアス電位を印加して可動部電極５を変位させることで発生することもある。
【００６８】
このようなスティクションを解消するために、微小構造体１の測定過程のあるタイミングにおいて、空気を吹き付ける、いわゆるエアーブローを行う。エアーブローは、ウェハ上の削りカスなどのパーティクルを吹き飛ばす目的で設けられているプローバーなどの既存の設備を用いてもよく、あるいはプローブカードに新たに設けるようにしてもよい。エアーブローは、測定前に全チップに対して実施する、測定後に全チップに対して実施する、測定時に測定信号からスティクションの疑いが検出された段階で、そのチップに対して実施し、その後、再度そのチップの測定を実施するなどのいずれであってもよい。
【００６９】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の一実施形態における微小構造体の変位量測定装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示した微小構造体の構造を示す図であり、（Ａ）は図解的平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線ＩＩＢ−ＩＩＢから見た断面図である。
【図３】ノイズ成分を検出するときに使用される擬似微小構造体の構造を示す図であり、（Ａ）は図解的平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢから見た断面図である。
【図４】高周波バイアス信号のバイアス電位と、容量変化を示す波形図である。
【図５】ホワイトノイズのバイアス信号のバイアス電位と、容量変化を示す波形図である。
【図６】可動部電極を強制変位させておき、直流バイアス信号のレベルを変化させる実施例を説明するための波形図である。
【図７】可動部電極が作動するまで交流バイアス信号を印加し、可動部電極が作動後は交流バイアス信号の印加を停止する実施例を説明するための波形図である。
【図８】可動部電極が作動するまで１パルスのバイアス信号を印加し、可動部電極が作動後は１パルスのバイアス信号の印加を停止する実施例を説明するための波形図である。
【図９】この発明の他の実施形態における微小構造体を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１，１ｂ  微小構造体、１ａ  擬似微小構造体、２  第１電極、３  第２電極、４  固定部電極、５，５ｂ  可動部電極、５ａ  擬似可動部電極、１０  基板、１１  酸化絶縁膜、２０  バイアス発生回路、２１，３１  櫛歯状部、２２  バイアス印加パッド、３０  Ｃ／Ｖ発生回路、３２  検出電極パッド、４０  検出回路、５１  可動部電極の錘部、５２，５２ａ，５３  可動部櫛歯状電極、５４，５５  可動部バネ、５６，５７，７１，７２，７３，７４  アンカー部、５８  可動部検出パッド、６１，６２  励振バネ、６３，６４  結合部材、６５，６６，６７，６８  検出バネ、８１  第３電極部、８２  第４電極部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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