(57)【要約】【課題】簡単な計測回路で微小容量の計測が可能な微小構造体の容量変化測定装置および容量変化測定方法を提供する。【解決手段】  微小構造体１は、固定部電極４と、固定部電極４に対向して配置され、固定部電極４との間に静電容量を有する可動部電極５とを有する。バイアス発生回路２０は、固定部電極４と可動部電極５との間にバイアス電位を印加し、電流測定回路３０は、バイアス電位を印加したときに、固定部電極４と可動電極５との間に流れる電流を検出し、電流変化検出判別回路４０は、検出された電流の時間変化に基づいて、固定部電極４と可動電極５との間の静電容量の変化を測定する。【選択図】図１
2009139173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部電極と、前記固定部電極に対向して配置され、前記固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを含む微小構造体の静電容量の変化を測定する容量変化測定装置であって、
前記固定部電極と前記可動部電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段によって電圧を印加したときに、前記固定部電極と前記可動部電極との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された電流の時間変化に基づいて、前記固定部電極と前記可動部電極との間の静電容量の変化を検出する容量変化検出手段とを備える、微小構造体の容量変化測定装置。
【請求項２】
前記容量変化検出手段は、前記微小構造体の正常動作時における静電容量に対応する所定の範囲内の測定値を記憶しており、測定時の測定値が前記記憶している測定値の範囲内にあるかどうかにより、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを検出する、請求項１に記載の微小構造体の容量変化測定装置。
【請求項３】
前記記憶している所定の範囲内の測定値は、前記微小構造体の正常動作時における、電流波形に対する波形の変形量の差、歪量の差、電流波形のピーク値に対する電圧差、電流波形に対する位相差のいずれかである、請求項２に記載の微小構造体の容量変化測定装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、時間的にレベルが変化する交流電圧を前記固定部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容量変化測定装置。
【請求項５】
固定部電極と、前記固定部電極に対向して配置され、前記固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを含む微小構造体の容量変化測定方法であって、
前記固定部電極と前記可動部電極との間に電圧を印加するステップと、
前記電圧を印加したときに、前記固定部電極と前記可動部電極との間に流れる電流を検出するステップと、
前記検出された電流の時間変化に基づいて、前記固定部電極と前記可動部電極との間の静電容量の変化を検出するステップとを備える、微小構造体の容量変化測定方法。
【請求項６】
前記検出した静電容量の変化が、予め記憶している前記微小構造体の正常動作時における測定値内であるかどうかに基づいて、当該測定している微小構造体が正常に動作するかどうかを判断するステップを含む、請求項５に記載の微小構造体の容量変化測定方法。
【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電極間の静電容量の変化を測定する微小構造体の容量変化測定装置および容量変化測定方法に関する。
【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の加速度センサ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の動作を確認するために、固定電極と可動電極との間の容量変化を測定することが行なわれている。
【０００３】
例えば、特開２０００−５５９５６号公報（特許文献１）には、微小容量を測定するシステムについて記載されている。特許文献１による微小容量の測定は、プローバを測定電極に接触させ、容量測定装置により静電容量を測定するものである。
【特許文献１】特開２０００−５５９５６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に記載されているようなプローバを測定電極に接触させる静電容量計測方法では、プローバのケーブル長や寄生容量などの影響を受けやすいという問題がある。また、微小構造体は、固定電極と可動電極との間の静電容量が高速で変化するので、プローバを用いた計測システムを微小容量の計測に適用した場合、計測時間の短縮が困難であるという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、この発明は、静電容量の計測に比べて簡単な計測回路で微小容量の測定が可能な微小構造体の容量変化測定装置および容量変化測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
この発明は、固定部電極と、固定部電極に対向して配置され、固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを有する微小構造体の容量変化測定装置であって、固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段によって電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出された電流の時間変化に基づいて、固定部電極と可動部電極との間の静電容量の変化を検出する検出手段とを備える。
【０００７】
この発明では、電流波形の変化に基づいて静電容量の変化を検出できるので、プローブ等により静電容量を検出するものに比べて、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがない。
【０００８】
好ましくは、容量変化検出手段は、微小構造体の正常動作時における静電容量に対応する所定の範囲内の測定値を記憶しており、測定時の測定値が記憶している測定値の範囲内にあるかどうかにより、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを検出する。
【０００９】
予め記憶している範囲内の測定値と、測定した微小構造体の測定値とを比較することにより、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを判断できる。
【００１０】
好ましくは、記憶している所定の範囲内の測定値は、微小構造体の正常動作時における、電流波形に対する波形の変形量の差、歪量の差、電流波形のピーク値に対する電圧差、電流波形に対する位相差のいずれかである。
【００１１】
これらの測定値のいずれかにより微小構造体が正常に動作しているかを判断できる。
【００１２】
好ましくは、電圧印加手段は、時間的にレベルが変化する交流電圧を固定部電極と可動部電極との間に印加する。
【００１３】
交流電圧として、正弦波、三角波、鋸止状波などを利用できる。
【００１４】
この発明の他の局面は、固定部電極と、固定部電極に対向して配置され、固定部電極との間に静電容量を有する可動部電極とを含む微小構造体の容量変化測定方法であって、固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加するステップと、電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出するステップと、検出された電流の時間変化に基づいて、固定部電極と可動部電極との間の静電容量の変化を検出するステップとを備える。
【００１５】
この発明の方法によっても、電流波形の変化に基づいて静電容量の変化を検出できるので、プローブ等により静電容量を検出するものに比べて、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがない。
【００１６】
好ましくは、検出した静電容量の変化が、予め記憶している微小構造体の正常動作時における測定値内であるかどうかに基づいて、当該測定している微小構造体が正常に動作するかどうかを判断する。
【００１７】
この例においても、当該微小構造体が正常に動作するかどうかを判断できる。
【発明の効果】
【００１８】
固定部電極と可動部電極との間に電圧を印加し、電圧を印加したときに、固定部電極と可動部電極との間に流れる電流を検出し、検出した電流の変化に基づいて、微小構造体の容量変化を測定するようにしたので、ケーブル長や寄生容量の影響を受けることがなく、簡単な構成で微小容量の計測が可能になり、動作検出が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１はこの発明の一実施例における微小構造体の容量変化測定装置を示すブロック図であり、図２はバイアス電位と容量変化を示す波形図である。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、加速度あるいは振動が加えられると共振する。固定部電極４の第２電極３と可動部電極５との間から共振信号が検出信号として取出される。
【００２０】
電圧印加手段として作動するバイアス発生回路２０から、動作確認のために、図２（Ａ）に示す正弦波のバイアス信号に基づくバイアス電位ａが電流検出手段として作動する電流測定回路３０を介して、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。バイアス電位に応じて、可動部電極５が変位し、その変位に応じた図２（Ｂ）に示す静電容量の容量変化ｂ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、検出信号が検出回路５０に与えられる。検出回路５０は静電容量の変化を電圧信号の変化に変換して、固定部電極４の第２電極３と可動部電極５との間の容量変化に対応する電圧信号を出力する。
【００２１】
電流測定回路３０は、バイアス発生回路２０から第１電極２と可動部電極５との間にバイアス信号が印加されたときに、第１電極２と可動部電極５との間に流れる電流を測定する。測定された電流測定信号は、容量変化検出手段として作動する電流変化検出判別回路４０に与えられる。電流変化検出判別回路４０は、ＦＦＴ（Fast Fourie Transform：高速フーリエ変換）による周波数解析や歪率計による歪率測定などで構成される。
【００２２】
図３は図１に示した微小構造体１の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は図３（Ａ）の線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢから見た断面図である。図３（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。
【００２３】
すなわち、図１に示した可動部電極５は、図３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可動または変位する。
【００２４】
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。
【００２５】
櫛歯状部２１と可動部櫛歯状電極５２との間隔は、上段のギャップＧ２が広く下段のギャップＧ１は狭くなるよう配置されている。逆に、固定部櫛歯状部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，固定部櫛歯状部櫛歯状部３１と可動部櫛歯状電極５３と容量値の変化は、上段の電極間距離の変化が支配的に影響する。
【００２６】
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、固定部櫛歯状部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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。検出回路５０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。
【００２９】
図４は、バイアス電位を印加したときに電極間距離が変わらない場合の電圧Ｖと電流Ｉの波形を示す波形図であり、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）を示し、左縦軸はバイアス電位Ｖ（Ｖ）を示し、右縦軸は電流Ｉ（Ａ）を示している。
【００３０】
図５は、バイアス電位Ｖ(Ｖ)の波形と、クーロン力により第１電極２と可動部電極５との間に働く力Ｆ（Ｎ）を示す波形図であり、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）を示し、左縦軸はバイアス電位Ｖ（Ｖ）を示し、右縦軸はクーロン力Ｆ（Ｎ）を示している。
【００３１】
図６は、可動部電極５が引き寄せられることによる櫛歯状部２１と共振ビーム５２との間のギャップＧ（ｄ）と静電容量Ｃ（Ｆ）との変化示す波形図であり、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）を示し、左縦軸は静電容量Ｃ（Ｆ）を示し、右縦軸はギャップＧ（ｄ）を示している。
【００３２】
図７は、正弦波信号のバイアス電位Ｖ（Ｖ）が印加されたときに流れる電流Ｉ（Ａ）の波形と、歪を生じた電流Ｉ２（Ａ）の波形を示す波形図であり、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）を示し、左縦軸は電流Ｉ（Ａ）を示している。
【００３３】
次に、図４から図７を参照してこの発明の一実施例における微小構造体の容量変化測定装置１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から、例えば周波数１ｋＨｚの正弦波で、５Ｖのバイアス電位を第１電極２と可動部電極５との間に印加した場合、可動部電極５が変位しなければ、第１電極２と可動部電極５との間の容量がコンデンサとして機能するため、図４に示すように電流Ｉ（Ａ）の波形は電圧Ｖ（Ｖ）の波形に対して９０度位相が進み、振幅が一定、周期は１ｋＨｚの波形となる。
【００３４】
このとき、バイアス電位Ｖが第１電極２と可動部電極５との間に印加されることにより、クーロン力により可動部電極５に力Ｆ（Ｎ）が作用する。この力Ｆ（Ｎ）は次式で示される。次式において、ｄはギャップ間の距離、Ｓは可動部電極５の面積である。
【００３５】
【数１】
2009139173.tif 000003
【００３６】
バイアス電位Ｖ（Ｖ）の変化と、クーロン力による力Ｆ（Ｎ）は、図５に示すように、バイアス電位Ｖ（Ｖ）の変化にほぼ追従して変化するので、共振しなくともクーロン力による力Ｆ（Ｎ）に応じてギャップ間の距離が変化する。バイアス電位Ｖ（Ｖ）の周波数ｆが微小構造体１の可動部電極５の共振周波数と一致すると、可動部電極５の変位量が大きくなるので、第１電極２と可動部電極５との間の容量変化が大きくなり、電流波形の変化が大きくなるが、これは付随的な効果である。
【００３７】
可動部電極５に力Ｆ（Ｎ）が作用すると、可動部電極５は可動部バネ５４，５５による一定のバネ定数に基づいて変位するので、図３に示した第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との間のギャップＧ１，Ｇ２が変化する。可動部バネ５４，５５のバネ定数が大きければ、図６に示すギャップＧの立上がり立下りが急峻になる。可動部電極５の可動部櫛歯状電極５２が第１電極２の櫛歯状部２１に引き寄せられることによるギャップＧ（ｄ）と静電容量Ｃ（Ｆ）の変化は次式で示される。
【００３８】
【数２】
2009139173.tif 000004
【００３９】
また、図６に示すように、静電容量Ｃ（Ｆ）とギャップＧ（ｄ）とが時間的に変化する。図６に示すように、ギャップＧ（ｄ）が小さければ静電容量Ｃ（Ｆ）が大きくなり、ギャップＧ（ｄ）が大きければ静電容量Ｃ（Ｆ）が小さくなる。
【００４０】
バイアス電位Ｖ（Ｖ）の変化に伴って静電容量Ｃ（Ｆ）が変化すると図７に示すように、電流Ｉ２（Ａ）に歪が生じる、図７に示す電流Ｉ（Ａ）はバイアス電位Ｖ（Ｖ）が正弦波のときに流れる電流波形である。
【００４１】
図１に示した電流測定回路３０は、図７に示す歪を生じた電流Ｉ２（Ａ）を測定し、電流変化検出判別回路４０は測定した電流に基づいて、微小構造体１がバイアス電位、すなわちクーロン力によって、可動部バネ５４，５５による所定のバネ定数に基づいて変化しているかどうかを判別する。電流波形の変化の検出および判別には、例えばＦＦＴによる周波数解析、歪率計による歪率の計測を適用できる。
【００４２】
電流変化検出判別回路４０は、予め正常に動作する微小構造体１の正常と判定可能な範囲内の静電容量値に対応した、電流波形に対する波形の変形量の差、歪量の差、電流波形のピーク値に対する電圧差、電流波形に対する位相差などのいずれかを記憶しており、検査時に検査対象の微小構造体１の測定した測定値が、記憶されている値の範囲内にあるかどうかを判別すれば、検査対象の微小構造体１が正常であるかどうかを判別できる。
【００４３】
なお、バイアス電位Ｖ（Ｖ）として、直流電圧または矩形波を第１電極２と可動部電極５との間に印加した場合、直流電圧を印加すると微小構造体１の第１電極２と可動部電極５との間で形成される静電容量Ｃ（Ｆ）に電荷がチャージされる間、一定の時定数をもった電流が流れる、この過程で第１電極２と可動部電極５との間にクーロン力Ｆ（Ｎ）が発生し、可動部電極５が変位する場合としない場合とで、電流が減少する時定数に変化が生じる。この電流波形の変化から微小構造体が電圧、すなわちクーロン力Ｆ（Ｎ）によって所定のバネ定数に基づいて変化しているかどうかを検出できる。
【００４４】
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】
【００４５】
【図１】この発明の一実施例における微小構造体の容量変化測定装置を示すブロック図である。
【図２】バイアス電位と容量変化を示す波形図である。
【図３】図１に示した微小構造体の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は図３（Ａ）の線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢから見た断面図である。
【図４】バイアス電位を印加したときに電極間距離が変わらない場合の電圧Ｖと電流Ｉの波形の変化を示す波形図である。
【図５】バイアス電位Ｖ（Ｖ）の波形と、クーロン力により第１電極２と可動部電極５との間に働く力Ｆ（Ｎ）の変化を示す波形図である。
【図６】可動部電極５が引き寄せられることによる櫛歯状部２１と共振ビーム５２との間のギャップＧ（ｄ）と静電容量Ｃ（Ｆ）との変化を示す波形図である。
【図７】正弦波信号のバイアス電位Ｖ（Ｖ）が印加されたときに流れる電流Ｉ（Ａ）の波形と、歪を生じた電流Ｉ２（Ａ）の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  微小構造体、２  第１電極、３  第２電極、４  固定部電極、５  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  電流測定回路、４０  電流変化検出判別回路、３２  検出電極パッド、５０  検出回路、５１  可動部電極の錘部、５２，５３  可動部櫛歯状電極、５４，５５  可動部バネ、５６，５７  アンカー部。
【図１】
2009139173.tif 000005
【図２】
2009139173.tif 000006
【図３】
2009139173.tif 000007
【図４】
2009139173.tif 000008
【図５】
2009139173.tif 000009
【図６】
2009139173.tif 000010
【図７】
2009139173.tif 000011