位移量監測電極的構造的製作方法

2023-06-04 09:24:06

專利名稱：位移量監測電極的構造的製作方法
技術領域：
本發明涉及位移量監測電極的構造，尤其涉及如下位移量監測電極的構造:相對於基板固定的固定電極和能夠在與基板平行的預定軸方向上移動的可動電極以使相互的電極指彼此嚙合的方式相對配置，基於固定電極與可動電極之間的靜電電容的變化量，監測以目標振幅驅動的檢測質量塊的位移量。
背景技術：
以往公知一種位移量監測電極的構造，構成角速度傳感器等，為了使檢測質量塊以一定的目標振幅驅動振動而監測其位移量(例如，參照專利文獻I)。位移量監測電極具有梳齒狀的固定電極和梳齒狀的可動電扱。固定電極由基部和從該基部朝向與基板平行的預定軸方向延伸的電極指構成，相對于于基板固定。另外，可動電極由基部和從該基部朝向與基板平行的預定軸方向延伸的電極指構成，能夠相對於基板在預定軸方向上移動。在該位移量監測電極中，如果可動電極相對於基板在預定軸方向上移動，則固定電極與可動電極之間的靜電電容變化。此時，靜電電容的變化量與可動電極的位移量對應。並且，基於該靜電電容的變化量來監測檢測質量塊的位移量(振幅)，控制成以目標振幅驅動該檢測質量塊。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2008-170455號公報

發明內容
發明要解決的課題然而，固定電極與可動電極之間的靜電電容的變化量通常與檢測質量塊的振幅對應而直線地變化，但不僅根據該檢測質量塊的振幅而變化，還根據固定電極與可動電極的間隙、相對面積而變化。具體而言，如果因應カ變化、尺寸偏差等而使其間隙或者相對面積變化，則靜電電容的變化量相對於可動電極的位移量的靈敏度(傾斜度)變化了與該變化對應的量。在這種情況下，檢測質量塊以目標振幅驅動時(即，可動電極的位移達到與該目標振幅對應的目標位移量時)的上述靜電電容的目標電容變化量設定在靜電電容的變化量相對於可動電極的位移量而直線地變化的直線變化區域，在這種結構中，如果由於在監測電極的組裝時所施加的應力、溫度變化、尺寸偏差等而使固定電極與可動電極之間隙、相對面積與所希望的情況不一致，則產生在靜電電容的變化量達到目標電容變化量時可動電極的位移量與目標位移量不一致的狀況，因此難以將檢測質量塊的振幅保持為一定的目標振幅。本發明鑑於上述情況，其目的在於提供一種位移量監測電極的構造，即使固定電極與可動電極的相對關係發生變化，也能夠將檢測質量塊的振幅保持為一定的目標振幅。用於解決課題的手段
通過位移量監測電極的構造來實現上述目的，在該位移量監測電極的構造中，配置有固定電極與可動電極，並基於所述固定電極與所述可動電極之間的靜電電容的變化量來監測應以目標振幅驅動的檢測質量塊的位移量，所述固定電極和所述可動電極分別由基部和從該基部向與基板平行的預定軸方向延伸的電極指構成為梳齒狀，所述固定電極相對於所述基板固定，所述可動電極能夠向所述預定軸方向移動，所述固定電極和所述可動電極以使相互的所述電極指彼此嚙合的方式相對配置，伴隨所述可動電極向所述預定軸方向移動，所述靜電電容的變化量直線地變化的直線變化區域和所述靜電電容的變化量非直線地變化的非直線變化區域各存在至少ー個，含有所述非直線變化區域中的所述靜電電容的變化量相對於所述可動電極向所述預定軸方向的位移量的變化靈敏度比所述直線變化區域中的所述變化靈敏度大的特性，並且，所述可動電極向所述預定軸方向的位移達到與所述目標振幅對應的目標位移量時的所述靜電電容的目標電容變化量被設定在所述非直線變化區域。發明效果根據本發明，即使固定電極與可動電極的相對關係發生變化，也能夠將檢測質量塊的振幅保持為一定的目標振幅。


圖1是採用本發明的第I實施例的位移量監測電極的構造的傳感器的結構圖。圖2是本實施例的位移量監測電極的俯視圖。圖3是本實施例的位移量監測電極的剖視圖。圖4是根據應カ變化而變形時的位移量監測電極的剖視圖。圖5是表示與位移量監測電極的尺寸偏差等對應而變化的、可動電極的驅動位移量X和固定電極與可動電極之間的靜電電容變化量A C的關係的圖。圖6是表示本實施例的位移量監測電極中的、可動電極的驅動位移量X和固定電極與可動電極之間的靜電電容變化量A C的關係的圖。圖7是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖8是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖9是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖10是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖11是本發明的變形例的位移量監測電極的立體圖。圖12A是圖11所示的位移量監測電極的側視圖。圖12B是圖11所示的位移量監測電極的俯視圖。圖13是本發明的變形例的位移量監測電極的立體圖。圖14A是圖13所示的位移量監測電極的側視圖。圖14B是圖13所示的位移量監測電極的俯視圖。圖15是本發明的變形例的位移量監測電極的立體圖。圖16是本發明的變形例的位移量監測電極的立體圖。圖17是本發明的變形例的位移量監測電極的立體圖。圖18A是圖17所示的位移量監測電極的側視圖。
圖18B是圖17所示的位移量監測電極的俯視圖。圖19是表示圖17所示的位移量監測電極中的、可動電極的驅動位移量X和固定電極與可動電極之間的靜電電容變化量A C的關係的圖。圖20是本發明的第2實施例的位移量監測電極的俯視圖。圖21是表示本實施例的位移量監測電極中的、可動電極的驅動位移量X和固定電極與可動電極之間的靜電電容變化量A C的關係的圖。圖22是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖23是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖24是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。圖25是本發明的變形例的位移量監測電極的俯視圖。
具體實施例方式以下，使用

本發明所涉及的位移量監測電極的構造的具體的實施方式。實施例1圖1表示採用本發明的第I實施例的位移量監測電極10的構造的傳感器12的結構圖。本實施例的傳感器12為例如裝配於車輛等的用於檢測繞與X-Y平面垂直的Z軸產生的角速度的角速度傳感器。傳感器12形成於矽等的半導體基板14上，通過對半導體基板14的表面實施微細加工的蝕刻而形成。傳感器12具有:相互具有相等質量的一對構造體16、18 ;用於在半導體基板14上在X軸方向上激勵驅動構造體16、18的驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2 ;用於檢測在半導體基板14上構造體16、18所產生的Y軸方向的振動(振幅)的檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2 ;以及用於監測在半導體基板14上構造體16、18向X軸方向的驅動位移量的位移量監測電極28-1、28-2、30-1、30-2。構造體16、18在從形成絕緣層的半導體基板14的表面浮起預定距離的狀態下，配置於該半導體基板14上的相互對稱位置。以下，將位移量監測電極28-1、28-2、30-1、30-2統稱為位移量監測電極10。驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2和檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2分別由相對於半導體基板14固定的固定電極和相對於半導體基板14在X軸方向或者Y軸方向上可動的可動電極構成。這些固定電極經由焊盤而與信號處理部連接。另外，這些可動電極構成構造體16、18的一部分。驅動電極20-1、20-2、22-1、22_2分別為如下電極:通過對固定電極施加驅動電壓而使靜電引力作用於固定電極與可動電極之間，從而使構造體16、18相對於半導體基板14在X軸方向上驅動。另外，檢測電極部24-1、24-2、26-1、26-2分別為如下電極:通過檢測伴隨構造體16、18的Y軸方向的位移而引起的固定電極與可動電極之間的靜電電容的變化，檢測構造體16、18相對於半導體基板14的Y軸方向的振動。具體而言，驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2分別通過對固定電極施加與構造體16、18的共振頻率大致相等的頻率的驅動電壓而使靜電引力作用於固定電極與可動電極之間，產生以與該構造體16、18的共振頻率大致相等的頻率在X軸方向上以一定振幅激勵驅動該構造體16、18的驅動力。此外，使驅動電極20-1和驅動電極20-2以相互同相產生驅動カ並且使驅動電極22-1和驅動電極22-2以相互同相產生驅動力，另ー方面，使驅動電極20-1,20-2和驅動電極22-1、22-2以相互反相產生驅動力。另外，在檢測電極24-1、24-2、26-1、26_2中，分別根據對構造體16、18相對於半導體基板14向Y軸方向施加的振動位移，在固定電極與可動電極之間產生靜電電容變化。此外,檢測電極24-1、24-2中的靜電電容變化與檢測電極26-1、26-2中的靜電電容變化相互為反相。在構造體16、18向Y軸方向的振動位移量為零的情況下，檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2的靜電電容變化大致為零，構造體16、18向Y軸方向的振動位移量越大該靜電電容變化也越大。檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2的固定電極分別將固定電極與可動電極之間的靜電電容變化作為檢測位移信號而輸出到信號處理電路。該信號處理電路通過處理來自各檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2的檢測位移信號，檢測構造體16、18向Y軸方向的振動位移量，並基於該振動位移量檢測繞Z軸產生的角速度。接著，說明本實施例的傳感器12的動作。在進行繞與X軸和Y軸這兩者正交的Z軸的角速度的檢測吋，在傳感器12中，驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2被激勵驅動。具體而言，具有與構造體16、18的共振頻率大致相等的頻率的驅動電壓被施加到驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2的固定電極。如果被施加上述驅動電壓，則在各個驅動電極20-1、20-2、22-1、22-2中在固定電極與可動電極之間產生向X軸方向激勵驅動構造體16、18的驅動力，從而構造體16、18以相互反相且以與共振頻率大致相等的頻率向X軸方向以一定振幅被激勵驅動。在構造體16、18如上所述向X軸方向被激勵驅動的狀態下沒有產生繞Z軸的角速度時，對構造體16、18沒有作用科氏力(Coriolis force)。在這種情況下,檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2不向Y軸方向振動位移，在檢測電極24_1、24-2,26-1,26-2的固定電極與可動電極之間不產生靜電電容變化，因此從檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2輸出的檢測位移信號成為表示構造體16、18的Y軸方向的振幅大致為零的信號。另ー方面，在構造體16、18如上所述向X軸方向被激勵驅動的狀態下產生了繞Z軸的角速度時，對構造體16、18作用有科氏力。在這種情況下，通過上述科氏力的作用使檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2向Y軸方向振動位移，在檢測電極24-1、24_2、26-1、26_2的固定電極與可動電極之間產生靜電電容變化。如果產生了上述靜電電容變化，則從檢測電極24-1、24-2、26-1、26-2輸出的檢測位移信號成為表示構造體16、18的產生了 Y軸方向的振幅的角速度的大小的信號。構造體16、18在作用有科氏力時關於Y軸方向相互反相地振動位移。因此,根據傳感器12，能夠檢測對象繞Z軸所產生的角速度。圖2表示本實施例的位移量監測電極10的俯視圖。另外，圖3表示本實施例的位移量監測電極10的剖視圖。位移量監測電極10由相對於半導體基板14固定的固定電極32和相對於半導體基板14在X軸方向上可動的可動電極34構成。固定電極32經由焊盤而與信號處理部連接。另外，可動電極34構成構造體16、18的一部分。位移量監測電極10通過檢測伴隨構造體16、18的X軸方向的位移而引起的固定電極32與可動電極34之間的靜電電容的變化，來監測構造體16、18相對於半導體基板14的X軸方向的驅動位移量。固定電極32和可動電極34分別形成為梳齒狀，分別由延伸設置為較寬幅的基部32-1,34-1和從基部32-1、34-1向與半導體基板14平行的X軸方向延伸的電極指32_2、34-2構成。電極指32-2、34-2分別形成為截面四邊形狀，從與基部32_1、34_1的連接部到前端分別具有相同的截面積(在Y軸方向上相同的寬度wl、w2且在Z軸方向上相同的厚度T1、T2)。電極指32-2、34-2設置為相對於ー個基部32_1、34_1相互平行地隔開相等間隔而在Y軸方向上排列多個。固定電極32和可動電極34配置為:基部32-1、34-1彼此在X軸方向上相對，並且電極指32-2、34-2彼此在Y軸方向上相對而嚙合。固定電極32的全部的電極指32-2形成為:在Y軸方向上具有同一寬度wl，在Z軸方向上具有同一厚度Tl，並且在X軸方向上具有同一長度。另外，可動電極34的全部的電極指34-2形成為:在Y軸方向上具有同一寬度w2，在Z軸方向上具有同一厚度T2，並且在X軸方向上具有同一長度。可動電極34在X軸方向不可動時，在固定電極32的電極指32_2的前端與可動電極34的基部34-1之間在X軸方向上隔開間隙dl，並且在固定電極32的基部32-1與可動電極34的電極指34-2的前端之間在X軸方向上隔開間隙d2。可動電極34的各電極指34-2配置為進入到固定電極32的兩個電極指32_2之間。在固定電極32的電極指32-2與可動電極34的電極指34-2之間在Y軸方向上隔開間隙dm。此外，電極指34-2可以配置於兩個電極指32-2之間的中央位置，也可以偏向某一個電極指32-2而配置。在電極指34-2偏向某一個電極指32-2而配置的情況下，在電極指34-2的Y軸方向兩側形成有相互不同的間隙dml、dm2。另ー方面，在電極指34_2配置於兩個電極指32-2之間的中央位置的情況下，在電極指34-2的Y軸方向兩側形成有相互相同的間隙dml、dm2。另外，電極指32-2與電極指34-2在厚度方向即Z軸方向上重疊的部位的厚度(即，電極指32-2的側壁與電極指34-2的側壁在Z軸方向上相対的部位的高度)為Tm。此夕卜，該厚度Tm可以為在上述間隙dml側的值(Tml)和dm2側的值(Tm2)不同。然而，優選Tl = T2 = Tm (BP, Tl = T2 = Tml = Tm2)成立。在具有上述構造的位移量監測電極10中，如果構造體16、18向X軸方向激勵驅動，則伴隨該激勵驅動，可動電極34向X軸方向位移。在這種情況下，與可動電極34的位移對應，在固定電極32與可動電極34之間產生靜電電容變化。此外，位移量監測電極28-1、28-2中的靜電電容變化與位移量監測電極30-1、30-2中的靜電電容變化相互反相。位移量監測電極10的靜電電容變化隨著構造體16、18向X軸方向的驅動位移量變大而變大。位移量監測電極10的固定電極分別將固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化作為驅動位移量監測信號向信號處理電路輸出。該信號處理電路通過處理來自各位移量監測電極10的驅動位移量監測信號，監測構造體16、18向X軸方向的驅動位移量。並且，基於該驅動位移量來控制對驅動電極20-1、20-2施加的驅動電壓，以使構造體16、18向X軸方向以一定振幅激勵驅動。然而，為了高精度地檢測在傳感器12中繞Z軸的角速度，需要將作為檢測質量塊的構造體16、18向X軸方向激勵驅動的振幅總是保持一定。並且，為了將構造體16、18向X軸方向的驅動振幅保持一定，通常將位移量監測電極10的固定電極32與可動電極34之間的電容變化量維持一定，優選以使該電容變化量維持一定的方式控制對驅動電極20-1、20-2施加的驅動電壓，具體而言，進行驅動控制，以在上述電容變化量達到了目標的電容變化量的時刻使構造體16、18的驅動位移量達到了目標位移量(目標振幅)。圖4表示根據應カ變化而變形的情況的位移量監測電極10的剖視圖。另外，圖5是表示與位移量監測電極10的應カ變化、尺寸偏差等對應而變化的、構造體16、18即可動電極34的驅動位移量X和固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C的關係(傾斜度)的圖。此外，在可動電極34向X軸方向不可動的情況下，將可動電極34的電極指34-2的前端所處位置的驅動位移量X設為「0」，將該電極指34-2的前端接近固定電極32的基部32-1的一側設為X > 0，將該電極指34-2的前端遠離固定電極32的基部32_1的一側設為X < O。但是，固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C不僅根據構造體16、18的驅動位移量X而變化，還根據固定電極32與可動電極34的間隙、相對面積而變化。即，上述驅動位移量X和靜電電容變化量A C 的關係對應於上述間隙、相對面積而變化。可動電極34的電極指34-2進入到固定電極32的兩個電極指32_2之間，在其進入量不太多的情況下，固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化僅產生於電極指32-2、34-2彼此之間。在這種情況下，固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C相對於可動電極34的驅動位移量X而直線地變化(直線變化區域)。另ー方面，如果可動電極34的電極指34-2進入到固定電極32的兩個電極指32_2之間的進入量較多，則固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化不僅產生於電極指32-2、34-2彼此之間，還產生於基部32-1與電極指34-2的前端之間和電極指32-2的前端與基部34_1之間。在這種情況下，固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C相對於可動電極34的驅動位移量X呈非直線地變化(非直線變化區域)。如圖5所示，在可動電極34達到與構造體16、18的目標振幅對應的目標位移量AO時的、固定電極32與可動電極34之間的目標電容變化量CO被設定在上述直線變化區域的結構中，如果由於位移量監測電極10的應カ變化、尺寸偏差等而使固定電極32與可動電極34的間隙、相對面積較大地背離了所希望的情況，則會產生在靜電電容變化量A C達到目標電容變化量CO時可動電極34的驅動位移量X較大地背尚目標位移量AO的狀況，因此難以將構造體16、18的振幅保持為一定的目標振幅。圖6是表示本實施例的位移量監測電極10中的、構造體16、18即可動電極34的驅動位移量X和固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C的關係的圖。固定電極32與可動電極34之間的靜電電容變化量A C根據下述式(I)而算出。其中，固定電極32與可動電極34之間的介電常數設為e，位移量監測電極10的電極相對數(具體而言，可動電極34中的電極指34-2的個數)設為N。此外，(I)式的右邊的第I項和第2項表示直線變化區域，第3項和第4項表示非直線變化區域。[數I]
權利要求
1.一種位移量監測電極的構造，配置有固定電極與可動電極，並基於所述固定電極與所述可動電極之間的靜電電容的變化量來監測應以目標振幅驅動的檢測質量塊的位移量，所述固定電極和所述可動電極分別由基部和從該基部向與基板平行的預定軸方向延伸的電極指構成為梳齒狀，所述固定電極相對於所述基板固定，所述可動電極能夠向所述預定軸方向移動，所述固定電極和所述可動電極被配置成相互的所述電極指彼此嚙合，所述位移量監測電極的構造的特徵在幹， 伴隨所述可動電極向所述預定軸方向移動，所述靜電電容的變化量直線地變化的直線變化區域和所述靜電電容的變化量非直線地變化的非直線變化區域各存在至少ー個， 含有所述非直線變化區域中的所述靜電電容的變化量相對於所述可動電極向所述預定軸方向的位移量的變化靈敏度比所述直線變化區域中的所述變化靈敏度大的特性，並且， 所述可動電極向所述預定軸方向的位移達到與所述目標振幅對應的目標位移量時的所述靜電電容的目標電容變化量被設定在所述非直線變化區域。
2.如權利要求1所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 將所述目標位移量設為A0，將所述固定電極的所述電極指與所述可動電極的所述電極指在與所述預定軸方向正交的垂直方向上離開的離開距離設為dml、dm2，將所述固定電極和所述可動電極的所述電極指彼此離開並相対的部位中的厚度設為Tml、Tm2，將每個所述固定電極的所述電極指面向所述可動電極的所述基部的面積設為SI，將每個所述可動電極的所述電極指面向所述固定電極的所述基部的面積設為S2，將所述可動電極的所述基部與所述固定電極的所述電極指的 前端的距離設為dl，並且將所述固定電極的所述基部與所述可動電極的所述電極指的前端的距離設為d2時，滿足以下所示的條件式(A):
3.如權利要求2所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 所述固定電極的所述電極指的厚度和所述可動電極的所述電極指的厚度在任意部位均為一定值，所述Tml、Tm2與該電極指自身的厚度一致，將所述固定電極的所述電極指面向所述可動電極的所述基部的寬度設為wl，並且將所述可動電極的所述電極指面向所述固定電極的所述基部的寬度設為《2時，滿足以下所示的條件式(B)
4.如權利要求2所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 在所述固定電極和所述可動電極被配置成在與所述預定軸方向正交的垂直方向上所述電極指彼此不相對時，滿足以下所示的條件式(C
5.如權利要求1、2和4中任一項所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 所述固定電極和所述可動電極中至少一方的所述電極指形成為，其面向所述可動電極或者所述固定電極的所述基部的前端的面積大於該前端以外的部位的截面積。
6.如權利要求1或5所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 在所述固定電極和所述可動電極中至少一方的、所述電極指的前端和所述基部中至少一方的表面配置電介質材料。
7.如權利要求6所述的位移量監測電極的構造，其特徵在幹， 將所述目標位移量設為A0，將所述固定電極的所述電極指與所述可動電極的所述電極指在與所述預定軸方向正交的垂直方向上離開的離開距離設為dml、dm2，將所述固定電極和所述可動電極的所述電極指彼此離開並相対的部位中的厚度設為Tml、Tm2，將每個所述固定電極的所述電極指面向所述可動電極的所述基部的面積設為SI，將每個所述可動電極的所述電極指面向所述固定電極的所述基部的面積設為S2，將所述可動電極的所述基部與所述固定電極的所述電極指的前端的距離設為dl，將所述固定電極的所述基部與所述可動電極的所述電極指的前端的距離設為d2，並且在所述固定電極和所述可動電極各自的所述電極指的前端和所述基部各自的表面配置厚度為CU且介電常數為er的電介質材料吋，滿足以下所示的條件式(D):
全文摘要
本發明的位移量監測電極的構造，即使固定電極與可動電極的相對關係發生變化，也能夠將檢測質量塊的振幅保持為一定的目標振幅，而且伴隨可動電極向預定軸方向移動，固定電極與可動電極之間的靜電電容的變化量直線地變化的直線變化區域和靜電電容的變化量非直線地變化的非直線變化區域各存在至少一個，含有非直線變化區域中的靜電電容的變化量相對於可動電極向預定軸方向的位移量的變化靈敏度比直線變化區域中的變化靈敏度大的特性，並且可動電極向預定軸方向的位移達到與檢測質量塊的目標振幅對應的目標位移量時的靜電電容的目標電容變化量被設定在非直線變化區域。
文檔編號G01B7/02GK103140736SQ20118004725
公開日2013年6月5日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者成田勝俊 申請人:豐田自動車株式會社