(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）がプレート状の表面（２）を有するように形成されており、表面実装構造（３）が、装架バー（１３）、撓みばね（１０）、センターバー（１２）及び複数の可動電極（１１）から一体に形成されておりかつ少なくとも２つのアンカー結合域（４）でもって前記表面（２）に固定されており、しかも前記アンカー結合域以外では前記表面（２）に対して隔たりをもつて、かつまた該表面（２）全体にわたって横方向拡がりをもって延びている形式の、基板（１）及び一体的な表面実装構造（３）を備えた、力センサ又は加速度センサのようなマイクロメカニックな構成エレメントにおいて、
表面実装構造（３）の可動電極（１１）が、撓みばね（１０）に装架されて基板（１）に対して相対運動可能であり、かつ、前記可動電極（１１）に対向して固定電極（２１）が設けられ、しかも前記基板（１）に対して相対運動不能に配置されており、
前記の少なくとも２つのアンカー結合域（４）が、それぞれ装架バー（１３）に設けられており、かつ表面実装構造（３）の横方向拡がりに対比して小さな相互間隔をあけてセンターバー（１２）の近傍に相対して配置されており、これにより、一体的な表面実装構造（３）の内部に機械的な拘束応力が発生しないようになっていることを特徴とする、マイクロメカニックな構成エレメント。
【請求項２】
２つ以上のアンカー結合域（４）がセンターバー（１２）の近傍に相対して配置されて設けられており、前記アンカー結合域（４）間の全ての間隔が、表面実装構造（３）の横方向拡がりに対比して僅少である、請求項１記載の構成エレメント。
【請求項３】
固定電極（２１）が複数の別のアンカー結合域（５）によって基板（１）の表面（２）に固定されており、前記の別のアンカー結合域（５）がセンターバー（１２）の近傍に相対して配置されて、相互間に、かつ表面実装構造（３）用のアンカー結合域（４）に対して、前記表面実装構造（３）の横方向拡がりに対比して僅かな間隔を有している、請求項１記載の構成エレメント。
【請求項４】
撓みばね（１０）が装架バー（１３）によってアンカー結合域（４）と結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成エレメント。
【請求項５】
固定電極（２１）が装架バー（２３）によって別のアンカー結合域（５）と結合されている、請求項３又は４記載の構成エレメント。
【請求項６】
表面実装構造（３）用の素材として珪素が使用される、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成エレメント。
【請求項７】
固定電極用の素材として珪素が使用される、請求項１から６までのいずれか１項記載の構成エレメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１に発明の上位概念として記載したように、基板がプレート状の表面を有するように形成されており、表面実装構造が、装架バー、撓みばね、センターバー及び複数の可動電極から一体に形成されておりかつ少なくとも２つのアンカー結合域でもって前記表面に固定されており、しかも前記アンカー結合域以外では前記表面に対して隔たりをもつて、かつまた該表面全体にわたって横方向拡がりをもって延びている形式の、基板及び一体的な表面実装構造を備えた、力センサ又は加速度センサのようなマイクロメカニックな構成エレメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面を有するプレート状の基板を備えたマイクロメカニックな構成エレメントは、国際特許９２／０３７４０号明細書に基づいてすでに公知である。前記表面上には表面実装マイクロ構造として加速度センサが構成されている。該加速度センサは一体的な可動エレメントを有し、該可動エレメントは複数の結合域によって基板の表面に固定されている。その場合の結合域は、一体的な可動の表面実装構造の外端部に配置されている。可動の表面実装構造は、加速度によって動かされる可動電極を有している。更に又、複数の固定電極が設けられており、しかも該固定電極の各々は個々の結合域によって基板の表面に配置されている。この結合域もその場合、結合域間に大きな間隔が介在するように配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、表面実装構造における機械的応力を減少させ、かつ熱的挙動を改善することのできる加速度センサのようなマイクロメカニックな構成エレメントを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の構成手段は、表面実装構造の可動電極が、撓みばねに装架されて基板に対して相対運動可能であり、かつ、前記可動電極に対向して固定電極が設けられ、しかも前記基板に対して相対運動不能に配置されており、前記の少なくとも２つのアンカー結合域が、表面実装構造の横方向拡がりに対比して小さな相互間隔をあけて互いに直ぐ近くに配置されており、これにより、一体的な表面実装構造の内部に機械的な拘束応力が発生しないようになっている点にある。
【０００５】
本発明の構成によって得られる、表面実装構造における機械的応力を著しく減少させ得るという顕著な作用・効果は、表面実装構造と基板のために異なった素材を使用する場合に格別当て嵌まる。
【０００６】
請求項１に記載したマイクロメカニックな構成エレメントの有利な構成と更なる改良は、請求項２以降に記載した手段によって得ることが可能である。複数のアンカー結合域において、すべてのアンカー結合域を僅かな相互間隔で配置することによって、マイクロメカニックな構成エレメントの熱的挙動が改善される。可動電極と固定電極とを備えた可動構成エレメントを使用することによって、多数のアクチュエータ又はセンサのために使用可能なマイクロメカニックな構成エレメントが得られる。その場合、熱的効果を更に低下させるために固定電極は、一体的な表面実装構造のために使用されるのとは別の複数のアンカー結合域でもって固定され、該アンカー結合域は相互間に、かつ表面実装構造用のアンカー結合域に対して僅かな間隔を有している。装架バーの使用によって、完全なかつ大きな構成エレメントを実現することが可能である。
【０００７】
更にまた表面実装構造を製造するために、それ自体機械的応力を受けている素材を使用することも可能である。
【０００８】
【実施例】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【０００９】
図１には、国際特許９２／０３７４０号明細書に基づいて公知になっている加速度センサが概略的に図示されている。該加速度センサは基板５０を有し、該基板上には表面実装構造が固定されている。該表面実装構造は、複数のアンカー結合域５１と、各アンカー結合域にそれぞれ固着された撓みばね舌片５２と、該撓みばね舌片に固着されたセンターバー５５と、該センターバー５５に固着された複数の可動電極５３とから成っている。各可動電極５３には、それぞれ対向した固定電極５４が配置されており、各固定電極はそれぞれ独自のアンカー結合域５１によって基板５０と結合されている。この加速度センサの機能態様は前掲国際特許９２／０３７４０号明細書に記載されている。該加速度センサは一体的な表面実装構造を有し、この一体的な表面実装構造は撓みばね舌片５２とセンターバー５５と可動電極５３とによって形成される。この一体的な表面実装構造は、横方向拡がりをもって基板５０の全面にわたっており、かつ該横方向拡がりの外端部で複数のアンカー結合域５１によって基板５０と結合されている。表面実装構造のための素材が基板の素材と異なっている場合には、表面実装構造と基板５０との間に不都合な機械的応力が生じることがある。このような機械的応力の発生は例えば、基板が表面実装構造の素材とは異なった熱膨張係数を有していること、或いは表面実装構造の素材がすでに内部応力例えば圧縮応力をかけて製作されたことに起因している。撓みばね舌片５２は、対比すれば最も肉薄の素子であるので、このような機械的応力は殊にこの領域で低下することになり、それによって撓みばね舌片５２の変形が惹起される。またケーシング内におけるセンサ構成エレメントの組付けによって、例えば接着又は鑞接によって、別の機械的応力が発生することもある。
【００１０】
図２には、基板１と、該基板面に配置された表面実装構造３とを有する本発明によるマイクロメカニックな構成エレメントが平面図で示されている。図４では、図２のＩ−Ｉ線に沿った横断面が図示されている。図４から判るように基板１は表面２を有し、該表面に表面実装構造３が複数のアンカー結合域４によって固定されている。更に図４から判る通り表面実装構造３は、アンカー結合域４によってしか表面２に固定されていず、かつ該アンカー結合域以外では表面２に対して隔たりを有している。この場合、表面実装構造３は表面２に大きな横方向拡がりをもって延びている。図２から判るように該表面実装構造３は２つのアンカー結合域４を有し、該アンカー結合域には２つの装架バー１３が固定されている。両装架バー１３には夫々２つの（つまり全部で４つの）撓みばね１０が固定されている。該撓みばね１０は他端部で１つのセンターバー１２と結合されている。該センターバー１２もやはり、基板１の表面２の広い領域にわたって延在しており、かつ可動電極１１のための装架部として役立てられる。該可動電極１１に対向して固定電極２１が配置されている。その場合各可動電極１１に対して１つの固定電極２１が配設されている。固定電極２１は、夫々個別に独自のアンカー結合域６をもって基板１の表面２に固定されているか、それとも固定電極２１は、やはりアンカー結合域５によって基板１の表面２に固着された装架バー２３に固定されている。装架バー１３，２３又はセンターバー１２のような大きな面の構造部は多数のエッチング穴１０１を有しており、該エッチング穴はセンサ製造時に、前記構造部の下面へのエッチング剤の支障の無い到達を可能にする。こうして製造時の前記構造部のアンダーエッチング処理が簡便化される。
【００１１】
表面実装構造３は、装架バー１３と撓みばね１０とセンターバー１２と可動電極１１とを有しており、これらは、纏められて一体的な表面実装構造３を形成している。この場合該表面実装構造３の全体がアンカー結合域４のみによって基板１の表面２に固定されているのに対して、その他の素子は表面２に対して隔たりを有している。これらの素子は従って基板に対して自由に運動することができる。ｘ軸方向に細長い構造を有しかつｙ軸方向では僅かな曲げ剛さしか有していないように撓みばね１０を狭幅に構成することによって、加速度センサ又は力センサの可動電極として適した表面実装構造３が得られる。加速度が正又は負のｙ軸方向にかかると、センターバー１２及び該センターバーに装架された可動電極１１を、加速度に応じて基板１に対して相対的にシフトする力が表面実装構造３に作用する。その作用時に可動電極１１と固定電極２１との間の距離が変化するので、可動電極１１と固定電極２１との間の容量を測定することによって、加速度を検出・確認することが可能である。従って図２に示したマイクロメカニックな構成エレメントは加速度センサとして使用することができる。更にまた、可動電極１１と固定電極２１との間に電圧を印加し、これによって表面実装構造３を、印加電圧に関連して変位させることも可能である。この場合、該表面実装構造３はアクチュエータとして使用されることになる。
【００１２】
図２に示した表面実装構造３の場合は、両アンカー結合域４は互いに直ぐ近傍に配置されており、しかも両アンカー結合域４間の間隔は、表面実装構造３の横方向拡がりに比較して僅少である。図２に示した表面実装構造３が、基板１とは異なった熱膨張係数を有しているか、或いは表面実装構造３のための素材がすでに内部応力をかけて製造された場合には、図２に示した構成では、熱に起因した機械的応力又は内部歪みを、表面実装構造３の膨張又は収縮によって支障無く減成することが可能である。その場合に決定的な点は、両アンカー結合域４間の間隔が比較的僅かであり、かつ一体的な表面実装構造３のその他の構成部分が任意に基板に対して相対運動できることである。従って図２に示した表面実装構造は、実質的に発生する一切の機械的応力を、表面実装構造３の相応の運動によって補償するので、表面実装構造３には内部応力が全く又は極く僅かしか作用しなくなる。例えば図１に示した加速度センサが、基板５０と表面実装構造との熱膨張係数を異にしている場合には撓みばね舌片５２内に機械的応力を発生させるのに対して、図２に示した表面実装構造３の撓みばね１０では、このような機械的応力はほぼ回避される。僅かな相互間隔しか有していないアンカー結合域４を使用することによって、即ち温度又は製造に起因した機械的な拘束応力に対するマイクロメカニックな構成エレメントの影響特性は少なくなる。図２では一体的な表面実装構造３のためのアンカー結合域４が互いに直ぐ近くに配置されているので、一体的な表面実装構造３の内部に機械的な拘束応力が発生することはない。しかしながら前記アンカー結合域４は、固定電極２１用のアンカー結合域５及び６に対しては大きな隔たりを有している。これによって可動電極１１と固定電極２１との間の相対距離は、例えばセンターバー１２の長さが温度変化に基づいて基板１の対応した膨張よりも強くか又は弱く変化する場合に変動する。これに対して図３に示した本発明のマイクロメカニックな構成エレメントの第２実施例では、前記の望ましくない効果も補償される。
【００１３】
図３には、やはり基板１と、該基板上に配置された一体的な表面実装構造３とを有するマイクロメカニックな構成エレメントが図示されている。前記の一体的な表面実装構造３は、該一体的表面実装構造３を基板１の表面２に固定しておく２つのアンカー結合域４を有している。両アンカー結合域４では装架バー１３が固定されており、該装架バーは次いで表面実装構造３の外側角隅の終端点へ向かって延在している。該終端点に次いで撓みばね１０が固着されており、該撓みばねは他端部に１つのセンターバー１２を有している。センターバー１２は、やはり複数の可動電極１１を有している。可動電極１１に対向して固定電極２１が配置されており、この固定電極自体は装架バー２３に固着されている。該装架バー２３はアンカー結合域５によつて基板１の表面２と結合されている。図４は図３のＩ−Ｉ線に沿った横断面を示す。図３の平面図から判る通り、装架バー１３と撓みばね１０とセンターバー１２と可動電極１１とから成る一体的な表面実装構造３を基板１と結合するアンカー結合域４並びに、固定電極２１の装架バー２３を基板１と結合するアンカー結合域５、つまり全てのアンカー結合域４，５は互いに直ぐ近くに配置されている。アンカー結合域４，５の相互間に設定可能な各間隔は、マイクロメカニックな構成エレメントの横方向拡がり全体に対比して微々たるものである。例えば基板１の素材が加熱時に装架バー１３，２３用の素材よりも著しく強く膨張する場合、この基板素材の強い膨張にも拘わらず固定電極２１に対する可動電極１１の相対間隔は無視できる程度しか変化せず、しかもこの相対的な変化は、アンカー結合域５に対するアンカー結合域４の配置が近くなればなるほど、それだけ僅かになる。ｘ軸方向での歪み応力は、マイクロメカニックな構成エレメント右側と左側の両アンカー結合域４が相互に離間するようにしか発生しない。両アンカー結合域４の相互間の間隔が僅かになるに応じてｘ軸方向に発生する歪み応力も小さくなる。従って固定電極２１と可動電極１１との間の相対的なシフトについては、ｙ軸方向でのアンカー結合域４と５の間隔が重要である。ｙ軸方向の該間隔が僅かになるに応じて、固定電極と可動電極との間のシフト量も僅かになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるマイクロメカニックな構成素子の平面図である。
【図２】本発明の第１実施例によるマイクロメカニックな構成エレメントの平面図である。
【図３】本発明の第２実施例によるマイクロメカニックな構成エレメントの平面図である。
【図４】図２及び図３のＩ−Ｉ線に沿った横断面図である。
【符号の説明】
１    基板、  ２    表面、  ３    表面実装構造、  ４，５，６    アンカー結合域、  １０    撓みばね、  １１    可動電極、  １２    センターバー、  １３    装架バー、  ２１    固定電極、  ２３    装架バー、  ５０    基板、  ５１    アンカー結合域、  ５２    撓みばね舌片、  ５３    可動電極、  ５４    固定電極、  ５５    センターバー、  １０１    エッチング穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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